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Java基础之String字符串的底层原理，面试常见问题

2023-04-26 09:54:12 来源：博客园

前言

在之前的两篇文章中，给大家介绍了String字符串及其常用的API方法、常用编码、正则表达式等内容，但这些内容都是停留在”如何用“的阶段，没有涉及到”为什么“的层面。实际上，我们在求职时，面试官很喜欢问我们关于String的一些原理性知识，比如String的不可变性、字符串的内存分配等。为了让大家更好地应对面试，并理解String的底层设计，接下来会给大家聊聊String的一些原理，比如String为什么具有不可变性？

全文大约 【4000】字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考......

(资料图片)

一. Spring源码中的final关键词

为了弄清楚String为什么具有不可变性，我们先来看看String的源码，尤其是源码中带有final关键词的地方。

1. final的特点

为了更好地理解String相关的内容，在阅读String源码之前，我们先来复习一下final关键词有哪些特点，因为在String中会涉及到很多final相关的内容。

1.final关键词修饰的类不可以被其他类继承，但是该类本身可以继承其他类，通俗的说就是这个类可以有父类，但是不能有子类；
2.final关键词修饰的方法不可以被覆盖重写，但是可以被继承使用；
3.final关键词修饰的基本数据类型变量称为常量，只能被赋值一次；
4.final关键词修饰的引用数据类型的变量值为地址值，地址值不能改变，但是地址内的数据对象可以被改变；
5.final关键词修饰的成员变量，需要在创建对象前赋值，否则会报错(即需要在定义时直接赋值，如果是在构造方法中赋值，则多个构造方法均需赋值)。

复习了final的特点之后，接下来我们就可以阅读String的源码了。

2. String源码解读

接下来就请大家请跟着我们来看看String源码中关于不可变性的内容吧。

2.1 final修饰的String类

/*** ......其他略......** Strings are constant; their values cannot be changed after they* are created. String buffers support mutable strings.* Because String objects are immutable they can be shared. For example:** ......其他略......**/public final class Stringimplements java.io.Serializable, Comparable, CharSequence {......

我们先对上面的源码及其注释进行简单的解释：

●final：请参考第1小节对final特点的介绍；
●Serializable：用于序列化；
●Comparable：默认的比较器；
●CharSequence: 提供对字符序列进行统一、只读的操作。

从这一段源码及注释中，我们可以得出如下结论：

●String类用final关键字修饰，说明String不可被继承；
●String字符串是常量，字符串的值一旦被创建，就不能被改变；
●String字符串缓冲区支持可变字符串；
●因为String对象是不可变的，所以它们是可以被共享的。

2.2 final修饰的value[]属性

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

从源码中可以看出，value[]是一个私有的字符数组，String类其实就是通过这个char数组来保存字符串内容的。简单的说，我们定义的字符串会被拆成一个一个的字符，这些字符都被存放在这个value字符数组里面。

这里的value[]数组被final修饰，初始化之后就不能再被更改。但是大家注意，我们这里说的value[]不可变，指的是value的引用地址不可变，但是value数组里面的数据元素其实是可变的！这是因为value是数组类型，根据我们之前学过的知识，value的引用地址会分配在栈中，而其对应的数据是在常量池中保存的。所以我们说String不可变，指的就是value在栈中的引用地址不可变，而不是说常量池中数组本身的数据元素不可变。

另外我们要注意，Java中的字符串常量池，用来存储字符串字面量！但是由于JDK版本的不同，常量池的位置也不同：

JDK 6 及以下版本的字符串常量池是在方法区(Perm Gen)中，此时常量池中存储的是字符串对象；在 JDK 8.0 中，方法区(永久代被元空间取代了；

JDK 7、8以后的字符串常量池被转移到了堆中，此时常量池存储的就是字符串对象的引用，而不是字符串对象本身。

至此，我们就带各位把String类中的核心源码分析完了，接下来我们再进一步分析String不可变的原因，及其他底层原理设计。

二. String的不可变性

1. 实验案例

了解了上面的这些核心源码之后，接下来再带各位来验证一下，看看String到底能不能变！我先给各位来一段案例代码，代码案例如下图所示。

结果s的内容变了，好像是啪啪打脸了？？？！！！咋回事，你不是说了String不可变吗？怎么这么快就翻车打脸了？别急，让我们好好来分析一下。

2. 结果剖析

首先我们从结果上来看String s 变量的结果好像改变了，但为什么我们又说String是不可变的呢？

要想明白这个问题，我们得先弄清楚一个点，即引用和值的区别！在上面的代码中，我们先是创建了一个 "yiyige" 为内容的字符串引用s，s其实先是指向了value对象，而value对象则指向存储了 "y，i，y，i，g，e" 字符的字符数组。

因为value被final修饰，所以value的值不可被更改。因此，上面代码中改变的其实是s的引用指向，而不是改变了String对象的值。换句话说，上面实例中 s的值只是 value的引用地址，并不是String内容本身！当我们执行 s = "yyg"; 语句时，Java中会创建一个新的字面量对象 "yyg"，而原来的 "yiyige" 字面量对象依然存在于内存的intern缓存池中。在Java中，因为数组也是对象，所以value中存储的也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。在执行了String s = “yiyige”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是下图这样的：

因为value是String封装的字符数组，value中的所有字符都属于String这个对象。由于value是private的，且没有提供setValue等公共方法来修改这个value值，所以在String类的外部是无法修改value值的，也就是说一旦初始化就不能被修改。此外，value变量是final的，也就是说在String类内部，一旦这个值初始化了，value这个变量所引用的地址就不会改变了，即一直引用同一个对象。正是基于这一层，所以说String对象是不可变的对象。

但其实value所引用对象的内容完全可以发生改变，我们可以利用反射来消除String类对象的不可变特性。

所以String的不可变性，指的是value在栈中的引用地址不可变，而不是说常量池中array本身的数据元素不可变！

而String对象的改变实际上是通过内存地址的 “断开-连接”变化来完成的，这个过程中原字符串中的内容并没有任何的改变。String s = "yiyige"; 和 s = "yyg"; 实质上是开辟了2个内存空间，s 只是由原来指向 "yiyige" 变为指向 "yyg" 而已，而其原来的字符串内容，是没有改变的，如下图所示。

因此，我们在以后的开发中，如果要经常修改字符串的内容，请尽量少用String，因为字符串的指向“断开-连接”会大大降低性能，建议使用：StringBuilder、StringBuffer。

那么String一定不可变吗？有没有办法让String真的可变呢？我们继续往下学习！

三. String真的不可变吗？

1. 实验案例

我在前面的章节中给大家说，String的不可变，其实指的是String类中value属性在栈中的引用地址不可变，而不是说常量池中array本身的数据元素不可变！也就是说String字符串的内容其实是可变的！那怎么实现呢？利用反射就可以实现，我们通过一个案例来证明一下。

try {String str = "yyg";System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));Class stringClass = str.getClass();//获取String类中的value属性Field field = stringClass.getDeclaredField("value");//设置私有成员的可访问性,进行暴力反射field.setAccessible(true);//获取value数组中的内容char[] value = (char[]) field.get(str);System.out.println("value=" + Arrays.toString(value));value[1] = "z";System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();}

2. 结果剖析

上面案例的执行结果如下图所示：

我们可以看到，String字符串的字符数组可以通过反射进行修改，导致字符串的“内容”真的发生了变化！并且我们又利用底层的java.lang.System#identityHashCode()方法(不管是否重写了hashCode方法)获取了对象的唯一哈希值，该方法获取的hash值与hashCode()方法是一样的。我们可以看到两个字符串的唯一性hash值是一样的，证明字符串引用地址没有发生改变！所以在这里，我们并不是像之前那样创建了一个新的String字符串，而是真的改变了String的内容。这个代码案例进一步说明，String类的不可变指的是中value属性在栈中的引用地址不可变，而不是说常量池中array本身的数据元素不可变！也就是说String字符串的内容其实是可变的！

四. 结语

String作为Java中使用最为广泛的一个类，之所以设计为不可变，主要是出于效率与安全性方面考虑。这种设计有优点，也有缺点。

1. 不可变性的优点

1、只有当字符串是不可变的，字符串池才有可能实现。字符串池的实现可以在运行时节约很多heap空间，因为不同的字符串引用都可以指向池中的同一个字符串。但如果字符串是可变的，如果一个引用变量改变了字符串的值，那么其它指向这个值的变量内容也会跟着一起改变。

2、如果字符串是可变的，那么可能会引起很严重的安全问题。譬如，数据库的用户名、密码都是以字符串的形式传入数据库，以获得数据库的连接；或者在socket编程中，主机名和端口都是以字符串的形式传入。因为字符串是不可变的，所以它的值是不可改变的，否则黑客们可以钻到空子，改变字符串指向的对象值，造成安全漏洞。

3、因为字符串是不可变的，在物理上是绝对的线程安全，所以同一个字符串实例可以被多个线程共享。由于不可变对象不可能被修改，因此能够在多线程中被任意自由访问而不导致线程安全问题，不需要多余的同步操作。即在并发场景下，多个线程同时读一个资源，并不会引发竞态条件，只有对资源进行读写才有危险。不可变对象不能被写，所以线程安全。

4、类加载器要用到字符串，不可变性也提供了安全性，以便正确的类可以被加载。譬如你想加载java.sql.Connection类，而这个值被改成了myhacked.Connection，那么会对你的数据库造成不可知的破坏。

5、因为字符串是不可变的，所以在字符串对象创建的时候hashCode()就被执行并把执行结果缓存了，不需要重新计算。这就使得字符串很适合作为Map中的键，所以字符串的处理速度要快过其它的键对象，这就是HashMap中的键往往都使用字符串的原因，当我们需要频繁读取访问任意键值对时，能够节省很多的CPU计算开销。

6、Sting的不可变性会提高执行性能和效率，基于Sting不可变，我们就可以用缓存池将String对象缓存起来，同时把一个String对象的地址赋值给多个String引用，这样可以安全保证多个变量共享同一个对象。因此，构造一万个string s = "xyz"，实际上得到都是同一个字符串对象，避免了很多不必要的空间开销。

2. 不可变性的缺点

●丧失了部分灵活性。我们平时使用的大部分都是可变对象，比如内容变化时，只需要利用setValue()更新一下就可以了，不需要重新创建一个对象，但是String很难做到这一点。当然，我们完全可以使用StringBuilder来弥补这个缺点。
●脆弱的不可变性，String其实可以利用JNI或反射来改变其不可变性。

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