Java中的这些String特性可能需要了解下

简介: Java中的String特性你知道哪些?虽然String很常见,通过源码可以看到String的值传递、字符串表和不可变性。本文基于JDK17说明。

先总结下,String类具有以下特性:

  1. 不可变性(Immutable):String对象一旦创建就不能被修改。任何对String对象的操作都会返回一个新的String对象,原始对象保持不变。
  2. 字符串表(String Table):StringTable表是一种存储字符串常量的内存区域,它可以提高字符串的重用率和性能。在创建字符串时,如果字符串已经存在于池中,则返回池中的字符串对象,否则会创建一个新的字符串对象并放入池中。
  3. 值传递:在Java中,String对象是通过值传递的方式传递的。这意味着当将一个字符串传递给方法或赋值给另一个变量时,实际上传递的是字符串的副本而不是原始字符串对象。

下文将详细说明这些特性。

本文基于JDK17说明。

不可变性(Immutable)

String的不可变性指的是一旦创建了String对象,它的值就不能被修改。

这意味着在任何对String对象进行操作时,都会返回一个新的String对象,而原始对象的值保持不变。

这种特性有助于保护数据的一致性,并且在多线程环境下也更加安全。

下面是一个示例来说明String的不可变性:

public class ImmutableStringExample {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        String original = "Hello";
        String modified = original.concat(", World!");

        System.out.println("Original string: " + original);
        System.out.println("Modified string: " + modified);
    }
}

输出结果为:

Original string: Hello
Modified string: Hello, World!

在这个例子中,虽然使用了 concat 方法对原始字符串进行了修改,但是原始字符串 original 的值并没有改变。相反,concat 方法返回了一个新的字符串对象,其中包含了修改后的值。

其中concat函数的主要代码如下:

@ForceInline
static String simpleConcat(Object first, Object second) {
   
   
    String s1 = stringOf(first);
    String s2 = stringOf(second);
    if (s1.isEmpty()) {
   
   
        // 直接返回s2参数
        return new String(s2);
    }
    if (s2.isEmpty()) {
   
   
        // 直接返回s1参数
        return new String(s1);
    }
    // start "mixing" in length and coder or arguments, order is not
    // important
    long indexCoder = mix(initialCoder(), s1);
    indexCoder = mix(indexCoder, s2);
    byte[] buf = newArray(indexCoder);
    // prepend each argument in reverse order, since we prepending
    // from the end of the byte array
    indexCoder = prepend(indexCoder, buf, s2);
    indexCoder = prepend(indexCoder, buf, s1);
    // 返回新建的String对象
    return newString(buf, indexCoder);
}

String的不可变性对于设计具有很多优点。

  • 提供了一种简单且安全的数据结构,因为任何时候都可以确信一个String对象的值不会在不经意间被改变。
  • 由于String是不可变的,所以它们可以被安全地共享,而不必担心在共享的过程中被修改。
  • String的不可变性也有助于提高字符串操作的性能,因为它可以避免频繁的复制和重建字符串对象。

String的不可变性使得它在Java中成为一种简单、安全且高效的数据结构。

不可变性怎么保证的

String 的不可变性是通过类的设计、内部实现和方法设计来保证的,这种不可变性使得 String 对象在多线程环境下更加安全,并且可以被方便地共享和重用。

String 的不可变性是通过以下几种方式来保证的:

  • String 类的设计:String 类被设计为 final 类,这意味着它不能被继承,也就是说无法创建 String 的子类来修改其行为。这样就防止了通过继承来修改 String 类的方法来改变其不可变性。
  • String 对象的内部实现:String 对象内部使用字节数组 byte[] 来存储字符串的值,而且这个字节数组是被声明为 final 的,即不可修改。一旦一个 String 对象被创建,它的值就会被存储在这个字节数组中,而且这个值是无法被修改的。也没对外提供get、set方法。
  • String 类的方法:String 类中的方法都被设计成不会修改原始对象的值,而是返回一个新的 String 对象,其中包含了修改后的值。比如,对于字符串连接操作 concat()、子串提取 substring()、大小写转换 toUpperCase()toLowerCase() 等方法,都会返回一个新的 String 对象,而不会修改原始字符串。

如下是String对象的部分源码,可以看到value和对象都被final修饰。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence,
               Constable, ConstantDesc {
   
   
    @Stable
    private final byte[] value;
    // ...
}

值传递

在Java中,String对象的传递是通过值传递(pass by value)进行的。

这意味着在将String对象传递给方法或赋值给另一个变量时,传递的是对象的副本而不是对象本身。

当你将一个String对象传递给方法时,实际上传递的是对象的引用的副本,而不是对象本身。这意味着方法内部的操作不会影响原始的String对象,因为它们操作的是副本。

下面是一个示例来说明String的值传递:

public class StringValuePassingExample {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        String original = "Hello";
        modifyString(original);
        System.out.println("Original string after method call: " + original);
    }

    public static void modifyString(String str) {
   
   
        str = str + ", World!";
        System.out.println("Modified string inside method: " + str);
    }
}

输出结果为:

Modified string inside method: Hello, World!
Original string after method call: Hello

在这个例子中,虽然在 modifyString 方法内部对 str 进行了修改,但原始的 original 字符串并没有受到影响。这是因为在方法调用时,传递的是 original 字符串的副本,而不是原始对象本身。

因此,在方法内部对 str 的任何修改都不会影响原始的 original 字符串。

字符串存储在StringTable

StringTable是一种特殊的内存区域,用于存储字符串常量。

当创建字符串时,如果该字符串已经存在于StringTable中,则直接返回对该字符串的引用,而不会创建新的字符串对象;如果该字符串不在StringTable中,则会创建一个新的字符串对象,并将其添加到StringTable中。

如果字符串是动态创建的,比如通过new、concat、substring、toUpperCase动态创建的会放到堆内存中。

StringTable、字符串、堆的示意图如下所示:

stringtable.png

StringTable的设计有几个主要原因:

  • 节省内存空间:由于字符串常常是应用程序中使用的不可变的常量,因此可以被多个字符串引用。通过StringTable,可以确保相同的字符串常量在内存中只有一份拷贝,从而节省内存空间。
  • 提高性能:由于字符串常量在内存中只有一份拷贝,所以可以通过比较字符串的引用地址来比较字符串的内容,而不必比较字符串的实际内容,这样可以提高比较字符串的效率。
  • 保证字符串的唯一性:通过StringTable,可以确保在应用程序中使用的字符串常量是唯一的,这有助于减少由于字符串拼接等操作而引起的错误。
  • 方便字符串的共享和重用:由于StringTable中的字符串常量是唯一的,因此可以方便地共享和重用字符串常量,从而提高应用程序的性能和效率。

字符串比拼

import java.util.HashMap;

public class StringTableDemo {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        String str1 = "abc";
        String str2 = new String("abc");
        System.out.println(str1 == str2);//false
        String str3 = new String("abc");
        System.out.println(str3 == str2);//false
        String str4 = "a" + "b";
        System.out.println(str4 == "ab");//true
        String s1 = "a";
        String s2 = "b";
        String str6 = s1 + s2;
        System.out.println(str6 == "ab");//false
        String str7 = "abc".substring(0, 2);
        System.out.println(str7 == "ab");//false
        String str8 = "abc".toUpperCase();

        System.out.println(str8 == "ABC");//false
        String s5 = "a";
        String s6 = "abc";
        String s7 = s5 + "bc";
        System.out.println(s6 == s7.intern());//true
    }
}

通过以上的例子可以总结出以下规律:

  • 单独使用""引号创建的字符串都是常量,编译期就已经确定存储到StringPool中。
  • 使用new String("")创建的对象会存储到heap中,是运行期新创建的。
  • 使用只包含常量的字符串连接符如"aa"+"bb"创建的也是常量,编译期就能确定已经存储到StringPool中。
  • 使用包含变量的字符串连接如"aa"+s创建的对象是运行期才创建的,存储到heap中。
  • 运行期调用String的intern()方法可以向String Pool中动态添加对象。

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