String详解

String对象的不可变原因，String对象的内存布局，及String对象之间的执行==，equals，+运算时的分析。

Author: Msuenb

Date: 2023-02-16

java.lang.String类代表字符串。String 对象用于保存字符串，也就是一组字符序列。字符串是常量，它们的值在创建后不能更改。

String 的特点

String 是 final 类，不能被其他的类继承
String 类实现了 Comparable 接口，String 对象可以比较大小
String 对象内部是用字符数组保存字符串内容的

JDK9之前是 private final char value[] 数组，JDK9之后是 byte[] 数组

"hello"等效于char[] value = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o'}
String 对象是不可变对象，一旦进行修改，就会产生新对象
注意：
- String 类的 char[] value 数组是 final 修饰的，说明 value 数组地址不可变，不是数组元素不可变
- 由于 value 数组是 private 的，所以在 String 类外无法直接修改 value 数组的元素值(除非用反射)
- String 类中的方法涉及到 value 数组长度变化，或修改元素值，都是用用新对象来表示修改后内容
```
final char[] value = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o'};
// value = new char[5];    // value 的地址不可修改
value[0] = 'H'; // 可以修改 value 元素值

String str = "hello";
str = "world";  
// 不会修改 "hello", 会在池中创建一个新的String对象接受 "world"  str指向这个新对象 共会创建两个对象
```

String 对象不可变，可以共享（节省内存）。Java 中把需要共享的字符串常量对象存放在常量池中。

String s1 = "hello";
String s2 = "hello";
System.out.println(s1 == s2);   // true
// 内存中只有一个 "hello" 对象被创建，同时被s1和s2共享

创建String对象

总的来说，String 对象的创建方式有两种：直接赋值和使用构造器，这两种方式的机制是不一样的

直接赋值：String str1 = "hello";
- 先从常量池中查看是否有 "hello" 数据空间，如果有，直接指向；如果没有，重新创建，然后指向。
- str1 最终指向的是常量池的空间地址
调用构造器：String str2 = new String("hello")
- 先在堆中创建空间，里面维护了 char[] value属性。
- 如果常量池中有 "hello" 数据空间，value 直接指向 "hello" 空间；如果没有，重新创建，然后指向。
- str2 最终指向的是堆中的空间地址；value 才是指向常量池的空间地址

String 内存分析

针对下面两行代码分析 String 对象的创建过程和内存布局

String str1 = "hello";
String str2 = new String("hello");

String 内存布局：

String 对象创建过程：

String str1 = "hello";
1. 先去查看常量池中是否有 "hello" 数据空间，没有，创建 "hello" 数据空间
2. 将 "hello" 数据空间的地址返回给 String 对象引用 str
String str2 = new String("hello");
3. 先在堆中开辟空间，里面维护了 value 属性，str2 指向这片空间
4. 检查常量池中是否有 "hello" 数据空间，有，value 直接指向 "hello" 数据空间

哪些字符串对象地址放入字符串常量池：

需要共享的字符串地址记录到字符串常量池的table表中，不需要共享的字符串对象其地址值不需要记录到字符串常量池的table表中。
除了以下2种，其他的都不放入字符串常量池：
1. "..." 字符串字面量
2. 字符串对象.intern()的结果
 
其他：
1. 直接new
2. valueOf，copyValueOf等
3. 字符串对象拼接：concat拼接 以及 +左右两边出现  非字符串字面量拼接
4. toUpperCase，toLowerCase，substring，repalce等各种String方法得到的字符串
其实下面这些方式，本质都是新new的，其地址都是指向堆空间。

String对象的创建形式

String对象的创建方式有两种，使用其它形式生成String对象，像valueOf()或toString()，它们在底层也是调用String的构造方法

直接赋值
```
String str = "hello";
```
构造方法

用于创建 String 对象的构造方法有很多，比较常用的有以下几个：
1. public String() ：其表示创建空字符序列。
2. String(String original)：其表示创建一个与参数相同的字符序列；也即新创建的字符串是该参数字符串的副本。
3. public String(char[] value) ：通过当前参数中的字符数组来构造新的String。
4. public String(byte[] bytes) ：通过使用默认字符集解码当前参数中的字节数组来构造新的String。也可以指定字符集
```
String str1 = new String();  // 创建一个空字符串
String str2 = new String("hello");
System.out.println(str1.equals(""));    // true

char[] value = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o'};	// 字符数组
String str3 = new String(value);

byte[] bytes = {104, 101, 108, 108, 111};	// 字节数组
String str5 = new String(bytes);	// hello
```
valueOf和copyValueOf方法：
1. static String copyValueOf(char[] data)：返回指定数组中表示该字符序列的 String
2. static String valueOf(char[] data) ：返回指定数组中表示该字符序列的 String
3. static String valueOf(xx value)：xx支持各种数据类型，返回各种数据类型的value参数的字符串表示形式。
```
char[] data = {'h','e','l','l','o','j','a','v','a'};
String s1 = String.copyValueOf(data);
String s2 = String.copyValueOf(data, 0, 5);	// hello
String s3 = String.valueOf(237);	// 237
```

连接运算 +

任意数据类型与"字符串"进行拼接，结果都是字符串类型

int num = 123456;
String s = num + "";

Student stu = new Student();
String s2 = stu + "";	// 自动调用对象的toString()，然后与 "" 进行拼接

toString方法

Object 类中声明了 toString() 方法，因此任意对象都可以调用 toString 方法，转为字符串类型。
```
LocalDate today = LocalDate.now();
String str = today.toString();
System.out.println(str);
```

String对象比较

== 与 equals

==：比较的是两个字符串对象的地址
boolean equals(Object obj)方法：比较是两个字符串对象的内容（String 类重写了 equals 方法）

String str1 = "hello";
String str2 = "hello";

String str3 = new String("hello");
String str4 = new String("hello");1

System.out.println(str1 == str2);   // true		str1 和 str2 都指向池中 "hello" 数据空间

System.out.println(str1 == str3);   // false	str3 指向堆中
System.out.println(str1.equals(str3));  // true	str1 与 str3 内容都是 "hello"

System.out.println(str3 == str4);   // false	str3 与 str3 指向堆中不同的内存空间
System.out.println(str3.equals(str4));  // true

System.out.println(str1 == str3.intern());  // true
System.out.println(str3 == str3.intern());  // false
// 常量池中存在 "hello" 数据空间 str2.intern() 返回 "hello" 的引用 与str1相同

intern() 方法说明：执行str2.intern()时，会返回常量池中与 str2 内容相同的字符串常量的地址；若池中没有，则将 str2 添加到池中，并返回 str2 的引用

内存布局分析：

str1 和 str2 中的 value 都指向常量池中的 "hello" 数据空间，str1.value == str2.value。

compareTo方法

int compareTo(String str)方法：String 类型实现了 Comparable 接口，重写了 compareTo 方法，即 String 对象支持自然排序。

int compareTo(String str) 方法按照字符的 Unicode 编码值进行比较大小的

@Test
public void test07() {
    String[] arr = {"java","linux","hadoop","hive","shell","flink","spark"};

    Arrays.sort(arr);
    System.out.println(Arrays.toString(arr));
}

+ 与 concat 的区别

拼接两个字符串的方式有两种：连接运算符+ 和concat()方法

String str1 = "hello,";
String str2 = "world";

String str3 = str1 + str2;
String str4 = str1.concat(str2);

System.out.println(str3);   // helloworld
System.out.println(str4);   // helloworld

str1 + str2：

"..."字符串字面量拼接，编译器直接优化为拼接后的字符串常量值。如，"abc" + "def" 优化等价于 "abcdef"
非"..."字符串字面量拼接，编译器优化为 StringBuilder 的 append 方法，然后再把结果 toString。

String str1 = "hello";
String str2 = "world";
String str3 = "helloworld";
String str4 = str1 + str2;		// 非 "..." 字符串字面量拼接
String str5 = str1 + "world";	// 非 "..." 字符串字面量拼接
String str6 = "hello" + "world";	// "..." 字符串字面量拼接	等价于: String str6 = "helloworld";

System.out.println(str3 == str4);   // false
System.out.println(str3 == str5);   // false
System.out.println(str3 == str6);   // true

现在使用debug方式追一下String str5 = str1 + "world";的执行过程，如下：

先创建一个 StringBuilder 对象 sb，容量为16，初始为空。
执行 sb.append("hello");
执行 sb.append("world");
调用 sb.toString();方法，返回 String 对象

最后 str5 会指向堆中的 String 对象，value[] 指向常量池中的 "helloworld" 数据空间。

注意：final String str1 = "hello"; // 此时 str1 完全等价于"hello"

final String s1 = "hello";//此时s1完全等价于"hello"
final String s2 = "world";//此时s2完全等价于"world"
String s3 = "helloworld";
String s4 = s1 + s2;
String s5 = s1 + "world";
String s6 = "hello" + "world";

System.out.println(s3 == s4);//true
System.out.println(s3 == s5);//true
System.out.println(s3 == s6);//true

str1.concat(str2)：只要拼接的不是空字符串，每次都 new 一个 String

String str1 = "hello";
String str2 = "world";
String str3 = "helloworld";
String str4 = str1.concat(str2);	// str2 不是空串 创建一个新对象接受连接后的内容
String str5 = str1.concat("world");
String str6 = "hello".concat("world");

System.out.println(str3 == str4);   // false
System.out.println(str3 == str5);   // false
System.out.println(str3 == str6);   // false

concat(String)方法源码：

可变字符序列

因为 String 对象是不可变对象，虽然可以共享常量对象，但是对于频繁字符串的修改和拼接操作，效率极低。因此 Java 提供了可变字符序列 StringBuilder 和 StringBuffer 类型。

StringBuffer：线程安全的（方法有 synchronized 修饰）
StringBuilder：线程不安全的

StringBuffer和StringBuilder

StringBuffer 与 StringBuilder 最大区别就是在于 StringBuffer 是线程安全的，支持多线程访问；StringBuilder是线程不安全的，在单线程下使用。

StringBuilder 的效率要高于 StringBuffer，通常情况先建议使用 StringBuilder，但在要求线程安全的情况下需要使用String Buffer。

其他方面 StringBuffer 与 StringBuilder 相似：

StringBuffer 和 StringBuilder 都是 final 类，不能被继承
StringBuffer 和 StringBuilder 都继承自 AbstractStringBuilder，有属性 char[] value，用于存放字符串内容，

由于 value 不是 final 类型，因此 value 数组里的内容存放在堆空间，而不是常量池。
StringBuffer 和 StringBuilder 都不用每次都需要创建新对象，所有效高于 String
StringBuffer 和 StringBuilder 有相同扩容机制：初始容量默认capacity = str.length + 16，每次扩容为capacity = 2 * capacity + 2

常用的API，StringBuilder、StringBuffer是完全一致的：

StringBuffer append(xx)：拼接，追加
StringBuffer insert(int index, xx)：在 [index] 位置插入 xx
StringBuffer deleteCharAt(int index)：删除[index]位置字符
void setCharAt(int index, xx)：替换[index]位置字符
StringBuffer reverse()：反转
int indexOf(String str)：在当前字符序列中查询str的第一次出现下标

@Test
public void test1(){
    StringBuilder s = new StringBuilder();
    s.append("hello").append(true).append('a').append(12).append("world");
    System.out.println(s);
    System.out.println(s.length());
}
@Test
public void test2(){
    StringBuilder s = new StringBuilder("helloworld");
    s.insert(5, "java");
    System.out.println(s);
}
@Test
public void test3(){
    StringBuilder s = new StringBuilder("helloworld");
    s.deleteCharAt(4);
    System.out.println(s);
}
@Test
public void test4(){
    StringBuilder s = new StringBuilder("helloworld");
    s.reverse();
    System.out.println(s);
}
@Test
public void test5(){
    StringBuilder s = new StringBuilder("helloworld");
    s.setCharAt(2, 'a');
    System.out.println(s);
}
@Test
public void test6(){
    StringBuilder s = new StringBuilder("helloworld");
    int index = s.indexOf("owo");
    System.out.println(index);
}

String，StringBuffer，StringBuilder效率测试

import org.junit.jupiter.api.Test;

public class EfficiencyTest {
    @Test
    public void test() {
        long start = System.currentTimeMillis();

        stringTest();
        // stringBufferTest();
        // stringBuilderTest();

        long end = System.currentTimeMillis();
        long memory = Runtime.getRuntime().totalMemory() - Runtime.getRuntime().freeMemory();
                                                                
        System.out.println("String拼接+用时：" + (end - start));  
        System.out.println("String拼接+占用内存: " + memory);     
        //          String      StringBuffer    StringBuilder
        // time     5986        5               3
        // memory   57263088    43127632        43127912
    }

    public void stringTest() {
        String str = new String("0");
        for (int i = 0; i < 50000; i++) {
            str += i;
        }
    }

    public void stringBufferTest() {
        StringBuffer sb = new StringBuffer("0");
        for (int i = 0; i < 50000; i++) {
            sb.append(i);
        }
    }

    public void stringBuilderTest() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder("0");
        for (int i = 0; i < 50000; i++) {
            sb.append(i);
        }
    }
}

posted @ 2023-02-16 17:13 msuenb 阅读(143) 评论(1) 收藏举报

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