String：String類型為什么不可變

zhiwei 發布于2019-08-16 10:38 / 971人閱讀

摘要：性能當字符串是不可變時，字符串常量池才有意義。字符串常量池的出現，可以減少創建相同字面量的字符串，讓不同的引用指向池中同一個字符串，為運行時節約很多的堆內存。

在學習Java的過程中，我們會被告知 String 被設計成不可變的類型。為什么 String 會被 Java 開發者有如此特殊的對待？他們的設計意圖和設計理念到底是什么？因此，我帶著以下三個問題，對
String 進行剖析：

String 真的不可變嗎？

為什么會將 String 設計為不可變？

如何通過技術實現實現 String 不可變？

String 真的不可變？

String 底層實現：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable, 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
    
    //other codes
}

String 的底層實現是依靠 char[] 數組，既然依靠的是基礎類型變量，那么他一定是可變的， String 之所以不可變，是因為 Java 的開發者通過技術實現，隔絕了使用者對 String 的底層數據的操作。但是，我們可以同反射的機制，操作 String 的底層，檢驗其不可變的猜想。

反射的方式操作 String ：

        //創建字符串"Hello World"， 并賦給引用s  
        String s = "Hello World";   
          
        System.out.println("s = " + s);    // Hello World  
          
        //獲取String類中的value字段  
        Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");  
          
        //改變value屬性的訪問權限  
        valueFieldOfString.setAccessible(true);  
          
        //獲取s對象上的value屬性的值  
        char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);  
          
        //改變value所引用的數組中的第5個字符  
        value[5] = "_";  
          
        System.out.println("s = " + s);    //Hello_World

通過兩次字符串的輸出，我們可以看到，String 被改變了，但是在代碼里，幾乎不會使用反射的機制去操作 String 字符串，所以，我們會認為 String 類型是不可變的。

為什么會將 String 設計為不可變

安全

引發安全問題，譬如，數據庫的用戶名、密碼都是以字符串的形式傳入來獲得數據庫的連接，或者在socket編程中，主機名和端口都是以字符串的形式傳入。因為字符串是不可變的，所以它的值是不可改變的，否則黑客們可以鉆到空子，改變字符串指向的對象的值，造成安全漏洞

保證線程安全，在并發場景下，多個線程同時讀寫資源時，會引競態條件，由于 String 是不可變的，不會引發線程的問題而保證了線程

HashCode，當 String 被創建出來的時候，hashcode也會隨之被緩存，hashcode的計算與value有關，若 String 可變，那么 hashcode 也會隨之變化，針對于 Map、Set 等容器，他們的鍵值需要保證唯一性和一致性，因此，String 的不可變性使其比其他對象更適合當容器的鍵值。

性能

當字符串是不可變時，字符串常量池才有意義。字符串常量池的出現，可以減少創建相同字面量的字符串，讓不同的引用指向池中同一個字符串，為運行時節約很多的堆內存。若字符串可變，字符串常量池失去意義，基于常量池的String.intern()方法也失效，每次創建新的 String 將在堆內開辟出新的空間，占據更多的內存

實例代碼：

String 的不可變性：

    public static String appendStr(String s){
        s+="bbb";
        return s;
    }

    //可變的StringBuilder
    public static StringBuilder appendSb(StringBuilder sb){
        return sb.append("bbb");
    }

    public static void main(String[] args){
        //String做參數
        String s=new String("aaa");
        String ns=Test.appendStr(s);
        System.out.println("String aaa >>> "+s.toString()); // aaa

        //StringBuilder做參數
        StringBuilder sb=new StringBuilder("aaa");
        StringBuilder nsb=Test.appendSb(sb);
        System.out.println("StringBuilder aaa >>> "+sb.toString()); // aaabbb
    }

String 不可變的技術實現

打開JDK的源碼：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable, 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
    
    //other codes
}

String 類由關鍵字 final 修飾，說明該類不可繼承

char value[] 屬性也被 final 所修飾，說明 value 的引用在創建之后，就不能被改變

以上兩點并不能完全實現 String 不可變，原因在于：

final int[] value={1,2,3}
      int[] another={4,5,6};
value=another;    // 編譯器報錯，final不可變

value 被 final 修飾，只能保證引用不被改變，但是 value 所指向的堆中的數組，才是真實的數據，只要能夠操作堆中的數組，依舊能改變數據。【解釋：String實際上是可變的】

final int[] value={1,2,3};
value[2]=100;  //這時候數組里已經是{1,2,100}

所有的成員屬性均被 private 關鍵字所修飾

為了實現 String 不可變，關鍵在于Java的開發者在設計和開發 String 的過程中，沒有暴露任何的內部成員，與此同時 API 的設計是均沒有操作 value 的值 , 而是采用 new String() 的方式返回新的字符串，保證了 String 的不可變。

JDK String API 源碼：

    public static String valueOf(char c) {
        char data[] = {c};
        return new String(data, true);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }
    
    

    public String concat(String str) {
        int otherLen = str.length();
        if (otherLen == 0) {
            return this;
        }
        int len = value.length;
        char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
        str.getChars(buf, len);
        return new String(buf, true);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }

整個String設成final禁止繼承，避免被其他人繼承后破壞。所以String是不可變的關鍵都在底層的實現，而不是一個final。考驗的是工程師構造數據類型，封裝數據的功力。

String s = "abcd";
s = "abcdel";

String 不可變性的圖示：

GPU云服務器云服務器 js 數據轉string類型 String _String public string

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