java基础(五) String性质深入解析

引言

  本文将讲解String的几个性质。

一、String的不可变性

  对于初学者来说，很容易误认为String对象是可以改变的，特别是+链接时，对象似乎真的改变了。然而，String对象一经创建就不可以修改。接下来，我们一步步 分析String是怎么维护其不可改变的性质；

1. 手段一：final类 和 final的私有成员

我们先看一下String的部分源码：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;

  }

  我们可以发现 String是一个final类，且3个成员都是私有的，这就意味着String是不能被继承的，这就防止出现：程序员通过继承重写String类的方法的手段来使得String类是“可变的”的情况。

  从源码发现，每个String对象维护着一个char数组 —— 私有成员value。数组value 是String的底层数组，用于存储字符串的内容，而且是 private final ，但是数组是引用类型，所以只能限制引用不改变而已，也就是说数组元素的值是可以改变的，而且String 有一个可以传入数组的构造方法，那么我们可不可以通过修改外部char数组元素的方式来“修改”String 的内容呢？

我们来做一个实验，如下：

public static void main(String[] args) {
		
		char[] arr = new char[]{'a','b','c','d'}; 		
		String str = new String(arr);		
		arr[3]='e';		
		System.out.println("str= "+str);
		System.out.println("arr[]= "+Arrays.toString(arr));
	}

运行结果

str= abcd
arr[]= [a, b, c, e]

  结果与我们所想不一样。字符串str使用数组arr来构造一个对象，当数组arr修改其元素值后，字符串str并没有跟着改变。那就看一下这个构造方法是怎么处理的：

public String(char value[]) {
        this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
    }

  原来 String在使用外部char数组构造对象时，是重新复制了一份外部char数组，从而不会让外部char数组的改变影响到String对象。

2. 手段二：改变即创建对象的方法

  从上面的分析我们知道，我们是无法从外部修改String对象的，那么可不可能使用String提供的方法，因为有不少方法看起来是可以改变String对象的，如replace()、replaceAll()、substring()等。我们以substring()为例，看一下源码：

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
        //........
        return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
                : new String(value, beginIndex, subLen);
    }

从源码可以看出，如果不是切割整个字符串的话，就会新建一个对象。也就是说，只要与原字符串不相等，就会新建一个String对象。

扩展

基本类型的包装类跟String很相似的，都是final类，都是不可改变的对象，以及维护着一个存储内容的private final成员。如 Integer类：

public final class Integer extends Number implements Comparable<Integer> {
   
     private final int value;
}

二、String的+操作 与 字符串常量池

我们先来看一个例子：

public class MyTest {
	public static void main(String[] args) {
		
		String s = "Love You";		
		String s2 = "Love"+" You";
		String s3 = s2 + "";
		String s4 = new String("Love You");
		
		System.out.println("s == s2 "+(s==s2));
		System.out.println("s == s3 "+(s==s3));
		System.out.println("s == s4 "+(s==s4));
	}
}

运行结果：

s == s2  true
s == s3  false
s == s4  false

  是不是对运行结果感觉很不解。别急，我们来慢慢理清楚。首先，我们要知道编译器有个优点：在编译期间会尽可能地优化代码，所以能由编译器完成的计算，就不会等到运行时计算，如常量表达式的计算就是在编译期间完成的。所以，s2 的结果其实在编译期间就已经计算出来了，与 s 的值是一样，所以两者相等，即都属于字面常量，在类加载时创建并维护在字符串常量池中。但 s3 的表达式中含有变量 s2 ,只能是运行时才能执行计算，也就是说，在运行时才计算结果，在堆中创建对象，自然与 s 不相等。而 s4 使用new直接在堆中创建对象，更不可能相等。

  那在运行期间，是如何完成String的+号链接操作的呢，要知道String对象可是不可改变的对象。我们使用jad命令 jad MyTest.class 反编译上面例子的calss文件回java代码，来看看究竟是怎么实现的：

public class MyTest
{

    public MyTest()
    {
    }

    public static void main(String args[])
    {
        String s = "Love You";
        String s2 = "Love You";//已经得到计算结果
        String s3 = (new StringBuilder(String.valueOf(s2))).toString();
        String s4 = new String("Love You");
        System.out.println((new StringBuilder("s == s2 ")).append(s == s2).toString());
        System.out.println((new StringBuilder("s == s3 ")).append(s == s3).toString());
        System.out.println((new StringBuilder("s == s4 ")).append(s == s4).toString());
    }
}

  可以看出，编译器将 + 号处理成了StringBuilder.append()方法。也就是说，在运行期间，链接字符串的计算都是通过 创建StringBuilder对象，调用append()方法来完成的，而且是每一个链接字符串的表达式都要创建一个 StringBuilder对象。因此对于循环中反复执行字符串链接时，应该考虑直接使用StringBuilder来代替 + 链接，避免重复创建StringBuilder的性能开销。

字符串常量池

常量池可以参考我上一篇文章，此处不会深入，只讲解与String相关的部分。

  字符串常量池的内容大部分来源于编译得到的字符串字面常量。在运行期间同样也会增加，

String intern()：
返回字符串对象的规范化表示形式。
一个初始为空的字符串池，它由类 String 私有地维护。
当调用 intern 方法时，如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串（用 equals(Object) 方法确定），则返回池中的字符串。否则，将此 String 对象添加到池中，并返回此 String 对象的引用。
它遵循以下规则：对于任意两个字符串 s 和 t，当且仅当 s.equals(t) 为 true 时，s.intern() == t.intern() 才为 true。

另外一点值得注意的是，虽然String.intern()的返回值永远等于字符串常量。但这并不代表在系统的每时每刻，相同的字符串的intern()返回都会是一样的（虽然在95%以上的情况下，都是相同的）。因为存在这么一种可能：在一次intern()调用之后，该字符串在某一个时刻被回收，之后，再进行一次intern()调用，那么字面量相同的字符串重新被加入常量池，但是引用位置已经不同。

三、String 的hashcode()方法

  String也是遵守equals的标准的，也就是 s.equals(s1)为true，则s.hashCode()==s1.hashCode()也为true。此处并不关注eqauls方法，而是讲解 hashCode()方法，String.hashCode()有点意思，而且在面试中也可能被问到。先来看一下代码：

public int hashCode() {
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) {
            char val[] = value;

            for (int i = 0; i < value.length; i++) {
                h = 31 * h + val[i];
            }
            hash = h;
        }
        return h;
    }

为什么要选31作为乘数呢？

从网上的资料来看，一般有如下两个原因：

• 31是一个不大不小的质数，是作为 hashCode 乘子的优选质数之一。另外一些相近的质数，比如37、41、43等等，也都是不错的选择。那么为啥偏偏选中了31呢？请看第二个原因。

• 31可以被 JVM 优化，31 * i = (i << 5) - i。

想要更加深入了解的话，可以参考：科普：为什么 String hashCode 方法选择数字31作为乘子