String 是 java 程序中出现比较多的对象,分析一下 String 首先 String 是由 final 修饰的。因此 String 不可变,无法继承。

将方法或类声明为final主要目的是:确保它们不会再子类中改变语义。String类是final类,这意味着不允许任何人定义String的子类。换言之,如果有一个String的引用,它引用的一定是一个String对象,而不可能是其他类的对象。——《Java核心技术 卷I》作者:R eversal

链接:https://www.zhihu.com/question/31345592/answer/51639967 来源:知乎 著作权归作者所有,转载请联系作者获得授权。

String不可变性及其原因

String的不可变性

什么叫String的不可变性呢?让我们来看一个例子。
​ String s=“abcd“;
上面的语句定义了一个字符串变量s,该变量指向字符串“abcd”,当初始化变量s时,会在堆中为s非配内容空间,当将字符串变量,赋值给另一个字符串变量时,例如:String s2=s; 此时,s2和s是相同的字符串对象,它们指向堆中的同一个内存空间。
当一个字符串连接其他字符时,他就指向了新的字符串对象,例如,s=s.concat(“ef“), 此时,s=“abcdef”;它在内存中又指向了一个新的储存空间,存放字符串”abcdef”。
当一个字符串在堆中被分配内容时,它就是不可变的,任何String的方法都无法改变字符串本身,但它可以返回一个新的字符串对象。
由于String是不可变的,所以他们的空间可以共享。例如String str = “abc”;就和
JAVA ​ char data[] = {‘a’, ‘b’, ‘c’};
​ String str = new String(data);

是等价的,它们共享一个存储空间。如果需要可以修改的字符串对象,可以使用StringBuffer和StringBuilder,StringBuffer是线程安全的,由于StringBuilder不需要进行同步操作,StringBuilder是比较快速的。

  • String不可变性的原因
    • 源码中String的本质是一个final类型的char数组,既然是final类型,那个该数组引用value就不允许再指向其他对象了,因此只从类的设计角度讲:如果jdk源码中并没有提供对value本身的修改,那么理论上来讲String是不可变的
    • 字符串池(String pool)的需求 在Java中,当初始化一个字符串变量时,如果字符串已经存在,就不会创建一个新的字符串变量,而是返回存在字符串的引用。 例如: String string1=“abcd”; String string2=“abcd”; 这两行代码在堆中只会创建一个字符串对象。如果字符串是可变的,改变另一个字符串变量,就会使另一个字符串变量指向错误的值。
    • 缓存字符串hashcode码的需要 字符串的hashcode是经常被使用的,字符串的不变性确保了hashcode的值一直是一样的,在需要hashcode时,就不需要每次都计算,这样会很高效。
    • 出于安全性考虑 字符串经常作为网络连接、数据库连接等参数,不可变就可以保证连接的安全性。

签名(signature)


    public final class String
        implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence

String使用了

  • 标记接口 java.io.Serializable
  • 标记接口 Comparable
  • 标记接口 CharSequenc

Compareable接口

public interface Comparable<T> {
    public int compareTo(T o);
}

此接口强行对实现它的每个类的对象进行整体排序。此排序被称为该类的自然排序,类的 compareTo 方法被称为它的自然比较方法 。

CharSequence接口

CharSequence的所有成员变量和方法。

成员变量

  • private final char value[];//这是用于存储String字符的数组
  • private final int offset;//这是value数组的第一个有效的字符的index
  • private final int count;//这是String中的字符个数
  • private int hash; // 存储String的hashcode,默认是0
  • private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;//在进行反序列化时,JVM会把传来的字节流中的serialVersionUID与本地相应实体(类)的serialVersionUID进行比较,如果相同就认为是一致的,可以进行反序列化,否则就会出现序列化版本不一致的异常 ***

源码剖析

构造器

String类的构造器有十六个,除了提供了一个无参构造函数之外,还有十五个带参构造器。

String()

 public String() {
        this.value = "".value;
    }

初始化一个新创建的 String 对象,使其表示一个空字符序列。注意,由于 String 是不可变的,所以无需使用此构造方法

String(String)

    public String(String original) {
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }

初始化一个新创建的 String对象,使其表示一个与参数相同的字符序列;换句话说,新创建的字符串是该参数字符串的副本。由于 String 是不可变的,所以无需使用此构造方法,除非需要 original 的显式副本。

String(char)

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

分配一个新的 String,使其表示字符数组参数中当前包含的字符序列。该字符数组的内容已被复制;后续对字符数组的修改不会影响新创建的字符串。

String(char,int,int)

public String(char value[], int offset, int count) {
    public String(char value[], int offset, int count) {
        if (offset < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        }
        if (count <= 0) {
            if (count < 0) {
                throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
            }
            if (offset <= value.length) {
                this.value = "".value;
                return;
            }
        }
        if (offset > value.length - count) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
        }
        this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
    }

作用为分配一个新的value,将传入的char数组进行一次复制,offset是开始索引位置,count表示数组长度。

String(int,int,int)

public String(int[] codePoints, int offset, int count) {
        if (offset < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        }
        if (count <= 0) {
            if (count < 0) {
                throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
            }
            if (offset <= codePoints.length) {
                this.value = "".value;
                return;
            }
        }
        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        if (offset > codePoints.length - count) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
        }

        final int end = offset + count;

        // Pass 1: Compute precise size of char[]
        int n = count;
        for (int i = offset; i < end; i++) {
            int c = codePoints[i];
            if (Character.isBmpCodePoint(c))
                continue;
            else if (Character.isValidCodePoint(c))
                n++;
            else throw new IllegalArgumentException(Integer.toString(c));
        }

        // Pass 2: Allocate and fill in char[]
        final char[] v = new char[n];

        for (int i = offset, j = 0; i < end; i++, j++) {
            int c = codePoints[i];
            if (Character.isBmpCodePoint(c))
                v[j] = (char)c;
            else
                Character.toSurrogates(c, v, j++);
        }

        this.value = v;
    }

方法

checkBounds()方法

private static void checkBounds(byte[] bytes, int offset, int length) {
        if (length < 0)
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(length);
        if (offset < 0)
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        if (offset > bytes.length - length)
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + length);
    }

这是一个私有的静态方法用于检查边界的方法。

length()方法

获得长度的方法

 public int length() {
        return value.length;
    }

isEmpty()方法

检查字符串长度是否是0,当长度为0返回true,否则返回false。

 public boolean isEmpty() {
        return value.length == 0;
    }

charAt()方法

该方法返回的值为char数组中的其中一个。

 public char charAt(int index) {
        if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return value[index];
    }

codePointAt()方法

用于返回指定索引处的字符,与codePointBefore方法类似,codePointBefore返回的的是索引之前的值

codePointAt

public int codePointAt(int index) {
        if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return Character.codePointAtImpl(value, index, value.length);
    }

codePointBefore

public int codePointBefore(int index) {
        int i = index - 1;
        if ((i < 0) || (i >= value.length)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return Character.codePointBeforeImpl(value, index, 0);
    }

equals()方法

首先equals返回的为一个boolean值。 instanceof是一个java的二元操作符,作用是检查左面是否为右面的实例化。返回值是boolean类型。 该方法是将一个传入对象进行一次复制,将复制对象的字符数组与原对象的字符数组进行比较。 这样就确保equals比较的是内容。这样就和==有了区分

public boolean equals(Object anObject) {
        if (this == anObject) {
            return true;
        }
        if (anObject instanceof String) {
            String anotherString = (String)anObject;
            int n = value.length;
            if (n == anotherString.value.length) {
                char v1[] = value;
                char v2[] = anotherString.value;
                int i = 0;
                while (n-- != 0) {
                    if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                    i++;
                }
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

compareTo()方法

按字典顺序比较两个字符串,如果相通返回0,如果不同返回他们之间的差值。 同样是通过字符数组进行比较。

public int compareTo(String anotherString) {
        int len1 = value.length;
        int len2 = anotherString.value.length;
        int lim = Math.min(len1, len2);
        char v1[] = value;
        char v2[] = anotherString.value;

        int k = 0;
        while (k < lim) {
            char c1 = v1[k];
            char c2 = v2[k];
            if (c1 != c2) {
                return c1 - c2;
            }
            k++;
        }
        return len1 - len2;
    }

### compare()方法

private static class CaseInsensitiveComparator
            implements Comparator<String>, java.io.Serializable {
        // use serialVersionUID from JDK 1.2.2 for interoperability
        private static final long serialVersionUID = 8575799808933029326L;

        public int compare(String s1, String s2) {
            int n1 = s1.length();
            int n2 = s2.length();
            int min = Math.min(n1, n2);
            for (int i = 0; i < min; i++) {
                char c1 = s1.charAt(i);
                char c2 = s2.charAt(i);
                if (c1 != c2) {
                    c1 = Character.toUpperCase(c1);
                    c2 = Character.toUpperCase(c2);
                    if (c1 != c2) {
                        c1 = Character.toLowerCase(c1);
                        c2 = Character.toLowerCase(c2);
                        if (c1 != c2) {
                            // No overflow because of numeric promotion
                            return c1 - c2;
                        }
                    }
                }
            }
            return n1 - n2;
        }

        /** Replaces the de-serialized object. */
        private Object readResolve() { return CASE_INSENSITIVE_ORDER; }
    }

startsWith()方法

检查前缀是否匹配。

public boolean startsWith(String prefix, int toffset) {
        char ta[] = value;
        int to = toffset;
        char pa[] = prefix.value;
        int po = 0;
        int pc = prefix.value.length;
        // Note: toffset might be near -1>>>1.
        if ((toffset < 0) || (toffset > value.length - pc)) {
            return false;
        }
        while (--pc >= 0) {
            if (ta[to++] != pa[po++]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }

hashCode()方法

返回String的hashCode,hashCode的计算方法是s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]

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;
    }

indexOf方法

indexOf一共有六个构造方法。 返回字符出现在字符串中第一次的位置。

public int indexOf(int ch, int fromIndex) {
        final int max = value.length;
        if (fromIndex < 0) {
            fromIndex = 0;
        } else if (fromIndex >= max) {
            // Note: fromIndex might be near -1>>>1.
            return -1;
        }

        if (ch < Character.MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT) {
            // handle most cases here (ch is a BMP code point or a
            // negative value (invalid code point))
            final char[] value = this.value;
            for (int i = fromIndex; i < max; i++) {
                if (value[i] == ch) {
                    return i;
                }
            }
            return -1;
        } else {
            return indexOfSupplementary(ch, fromIndex);
        }
    }

substring()方法

截取代码中的片段,值得注意的是在最后的返回值中它会new一个新String类。

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
        if (beginIndex < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
        }
        if (endIndex > value.length) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
        }
        int subLen = endIndex - beginIndex;
        if (subLen < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
        }
        return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
                : new String(value, beginIndex, subLen);
    }

concat()方法

该方法主要用于连接字符串,Api文档中的例子

“cares”.concat(“s”) returns “caress”

从功能上看concat+是类似的。但是他们之间使用区别的。 concat只能连接字符串,如果要连接其他类型要转化为String。 +可以连接非字符串。 如果长度为0返回原来的数组,否则就new一个数组。

 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);
    }

### replace()方法

replace用于替换String中的字符。 先用if来判断,来减少不必要的循环。

public String replace(char oldChar, char newChar) {
        if (oldChar != newChar) {
            int len = value.length;
            int i = -1;
            char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

            while (++i < len) {
                if (val[i] == oldChar) {
                    break;
                }
            }
            if (i < len) {
                char buf[] = new char[len];
                for (int j = 0; j < i; j++) {
                    buf[j] = val[j];
                }
                while (i < len) {
                    char c = val[i];
                    buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                    i++;
                }
                return new String(buf, true);
            }
        }
        return this;
    }

### split

### replaceAll

join()方法

这个是jdk1.8的新方法,让我们分析一下。 join的作用:通过一个字符或字符串来连接其他字符 注释文档的例子: > String message = String.join(“-”, “Java”, “is”, “cool”); ​ // message returned is: “Java-is-cool”

官方文档中的注释提示

** Note that if an element is null, then {@code “null”} is added.**

 public static String join(CharSequence delimiter, CharSequence... elements) {
        Objects.requireNonNull(delimiter);
        Objects.requireNonNull(elements);
        // Number of elements not likely worth Arrays.stream overhead.
        StringJoiner joiner = new StringJoiner(delimiter);
        for (CharSequence cs: elements) {
            joiner.add(cs);
        }
        return joiner.toString();
    }

### toLowerCase()方法

该方法是将传入的字符串转化为一个小写的字符串。 这里有一个scan,这个scan是一个标签,用于跳出循环。

    public String toLowerCase(Locale locale) {
        if (locale == null) {
            throw new NullPointerException();
        }
        int firstUpper;
        final int len = value.length;
        /* Now check if there are any characters that need to be changed. */
        scan: {
            for (firstUpper = 0 ; firstUpper < len; ) {
                char c = value[firstUpper];
                if ((c >= Character.MIN_HIGH_SURROGATE)
                        && (c <= Character.MAX_HIGH_SURROGATE)) {
                    int supplChar = codePointAt(firstUpper);
                    if (supplChar != Character.toLowerCase(supplChar)) {
                        break scan;
                    }
                    firstUpper += Character.charCount(supplChar);
                } else {
                    if (c != Character.toLowerCase(c)) {
                        break scan;
                    }
                    firstUpper++;
                }
            }
            return this;
        }
        char[] result = new char[len];
        int resultOffset = 0;  /* result may grow, so i+resultOffset
                                * is the write location in result */

        /* Just copy the first few lowerCase characters. */
        System.arraycopy(value, 0, result, 0, firstUpper);

        String lang = locale.getLanguage();
        boolean localeDependent =
                (lang == "tr" || lang == "az" || lang == "lt");
        char[] lowerCharArray;
        int lowerChar;
        int srcChar;
        int srcCount;
        for (int i = firstUpper; i < len; i += srcCount) {
            srcChar = (int)value[i];
            if ((char)srcChar >= Character.MIN_HIGH_SURROGATE
                    && (char)srcChar <= Character.MAX_HIGH_SURROGATE) {
                srcChar = codePointAt(i);
                srcCount = Character.charCount(srcChar);
            } else {
                srcCount = 1;
            }
            if (localeDependent ||
                srcChar == '\u03A3' || // GREEK CAPITAL LETTER SIGMA
                srcChar == '\u0130') { // LATIN CAPITAL LETTER I WITH DOT ABOVE
                lowerChar = ConditionalSpecialCasing.toLowerCaseEx(this, i, locale);
            } else {
                lowerChar = Character.toLowerCase(srcChar);
            }
            if ((lowerChar == Character.ERROR)
                    || (lowerChar >= Character.MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT)) {
                if (lowerChar == Character.ERROR) {
                    lowerCharArray =
                            ConditionalSpecialCasing.toLowerCaseCharArray(this, i, locale);
                } else if (srcCount == 2) {
                    resultOffset += Character.toChars(lowerChar, result, i + resultOffset) - srcCount;
                    continue;
                } else {
                    lowerCharArray = Character.toChars(lowerChar);
                }

                /* Grow result if needed */
                int mapLen = lowerCharArray.length;
                if (mapLen > srcCount) {
                    char[] result2 = new char[result.length + mapLen - srcCount];
                    System.arraycopy(result, 0, result2, 0, i + resultOffset);
                    result = result2;
                }
                for (int x = 0; x < mapLen; ++x) {
                    result[i + resultOffset + x] = lowerCharArray[x];
                }
                resultOffset += (mapLen - srcCount);
            } else {
                result[i + resultOffset] = (char)lowerChar;
            }
        }
        return new String(result, 0, len + resultOffset);
    }

trim()方法

trim方法是去除前或后无效空格。 通过两个循环,一个从前开始,一个从后开始来寻找空格。

public String trim() {
        int len = value.length;
        int st = 0;
        char[] val = value;    /* avoid getfield opcode */

        while ((st < len) && (val[st] <= ' ')) {
            st++;
        }
        while ((st < len) && (val[len - 1] <= ' ')) {
            len--;
        }
        return ((st > 0) || (len < value.length)) ? substring(st, len) : this;
    }

toCharArray()方法

该方法是用于将字符串复制为一个新的字符数组。

public char[] toCharArray() {
        // Cannot use Arrays.copyOf because of class initialization order issues
        char result[] = new char[value.length];
        System.arraycopy(value, 0, result, 0, value.length);
        return result;
    }

intern方法

native关键字是一个用于修饰原生态方法。作用是实现其他接口的语言如(c/c++)。

public native String intern();

总结