java String 可變性的分析

前言

這兩天在看Java面試相關的一些問題，很偶然也很幸運的看到了下面這篇文章。

這篇文章的作者有一系列關於Java深入學習的文章，很值得一看，個人覺得非常好，很有收獲。

起因

正如我們所理解的，通過

String hello = "Hello World!";

和

String xx = new String("Hello World!");

得到的字符串對象是不一樣的，new方式是在堆空間中創建的，而直接的字符串則是先被放到常量池中。如果有新的與之一樣的對象被創建，則直接讓這個新對象引用常量池中的這個地址即可。

這樣的好處就是可以最大限度的節省內存空間。

而使用new方式創建的則就不一樣了，只要是用了new創建字符串，就會在堆空間中開辟出一塊內存，然後返回這個內存地址的引用。所以這樣創建的對象，即使內容一致，也不會是指向同一個內存地址。

下面用幾個簡單的代碼做下測試。

/**
*字符串中對於內容和地址的判定可以用下面兩種方式，但側重點不一樣。
*/
equals // 判斷 兩個字符串的內容是否一致
==  // 判斷兩個字符串的內存地址是否一致

且看下面的代碼：

public static void simple() {
  String s1 = "Hello World!";
  String s2 = "Hello World!";
  String s3 = new String("Hello World!");
  String s4 = new String("Hello World!");

  // 下面開始比較引用和內容的比較
  System.out.println("字符串賦值方式：");
  System.out.println(s1==s2);
  System.out.println(s1.equals(s2));

  System.out.println("\n字符串賦值方式和new方式：");
  System.out.println(s1==s3);
  System.out.println(s1.equals(s3));

  System.out.println("\nnew 方式：");
  System.out.println(s3==s4);
  System.out.println(s3.equals(s4));
 }

得到的結果如下：

字符串賦值方式：
true
true

字符串賦值方式和new方式：
false
true

new 方式：
false
true

結果卻是和我們所說的那樣。

深入源碼

不出所料，String確實是“不可變的”，每次改變底層其實都是創建了一個心的字符串對象，然後賦予了新值。

為什麼會這樣呢？我們也許可以在源碼中找到真相。

哦，原來Java對於String類只是維護了一個final類型的字符數組啊。怪不得賦值之後就不能改變了呢。

但是也許你會有疑問，咦，不對啊，“我經常使用String的什麼replace方法改變字符串的內容啊。你這則麼解釋呢？”

其實答案還是那樣，它真的沒變，我們並沒有看到事情的真相，相信看完下面的源碼，你就明白了。

/**
  * Returns a string resulting from replacing all occurrences of
  * {@code oldChar} in this string with {@code newChar}.
  * <p>
  * If the character {@code oldChar} does not occur in the
  * character sequence represented by this {@code String} object,
  * then a reference to this {@code String} object is returned.
  * Otherwise, a {@code String} object is returned that
  * represents a character sequence identical to the character sequence
  * represented by this {@code String} object, except that every
  * occurrence of {@code oldChar} is replaced by an occurrence
  * of {@code newChar}.
  * <p>
  * Examples:
  * <blockquote><pre>
  * "mesquite in your cellar".replace('e', 'o')
  *   returns "mosquito in your collar"
  * "the war of baronets".replace('r', 'y')
  *   returns "the way of bayonets"
  * "sparring with a purple porpoise".replace('p', 't')
  *   returns "starring with a turtle tortoise"
  * "JonL".replace('q', 'x') returns "JonL" (no change)
  * </pre></blockquote>
  *
  * @param oldChar the old character.
  * @param newChar the new character.
  * @return a string derived from this string by replacing every
  *   occurrence of {@code oldChar} with {@code newChar}.
  */
 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;
 }

源碼中很明確的使用了

new String(buf, true);

的方式返回給調用者新對象了。

真的不可變嗎？

讀到上面的內容，其實基本上已經夠了。但是了解一下更深層次的內容，相信對我們以後編程來說會更好。

源碼中清楚的使用char[] value來盛裝外界的字符串數據。也就是說字符串對象的不可變的特性，其實是源自value數組的final特性。

那麼我們可以這麼想，我們不改變String的內容，而是轉過頭來改變value數組的內容（可以通過反射的方式來修改String對象中的private屬性的value），結果會怎樣呢？

答案是真的會變哦。

可以先看下下面的代碼

private static void deep() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
  String hello = "Hello World!";
  String xx = new String("Hello World!");
  String yy = "Hello World!";

  /**
   * 判斷字符串是否相等，默認以內存引用為標准
   */
  System.out.println(hello == xx);
  System.out.println(hello == yy);
  System.out.println(xx == yy);

  // 查看hello, xx, yy 三者所指向的value數組的真實位置
  Field hello_field = hello.getClass().getDeclaredField("value");
  hello_field.setAccessible(true);
  char[] hello_value = (char[]) hello_field.get(hello);
  System.out.println( hello_field.get(hello));

  Field xx_field = xx.getClass().getDeclaredField("value");
  xx_field.setAccessible(true);
  char[] xx_value = (char[]) xx_field.get(xx);
  System.out.println(xx_field.get(xx));

  Field yy_field = yy.getClass().getDeclaredField("value");
  yy_field.setAccessible(true);
  char[] yy_value = (char[]) yy_field.get(yy);
  System.out.println(yy_field.get(yy));
  /**
   * 經過反射獲取到這三個字符串對象的最底層的引用數組value，發現如果一開始內容一致的話，java底層會將創建的字符串對象指向同一個字符數組
   * 
   */

  // 通過反射修改字符串引用的value數組
  Field field = hello.getClass().getDeclaredField("value");
  field.setAccessible(true);
  char[] value = (char[]) field.get(hello);
  System.out.println(value);
  value[5] = '^';
  System.out.println(value);

  // 驗證xx是否被改變
  System.out.println(xx);
 }

結果呢？

false
true
false
[C@6d06d69c
[C@6d06d69c
[C@6d06d69c
Hello World!
Hello^World!
Hello^World!

真的改變了。

而我們也可以發現，hello，xx, yy最終都指向了內存中的同一個value字符數組。這也說明了Java在底層做了足夠強的優化處理。

當創建了一個字符串對象時，底層會對應一個盛裝了相應內容的字符數組；此時如果又來了一個同樣的字符串，對於value數組直接獲取剛才的那個引用即可。（相信我們都知道，在Java中數組其實也是一個對象類型的數據，這樣既不難理解了）。

不管是字符串直接引用方式，還是new一個新的字符串的方式，結果都是一樣的。它們內部的字符數組都會指向內存中同一個“對象”（value字符數組）。

總結

稍微有點亂，但是從這點我們也可以看出String的不可變性其實仍舊是對外界而言的。在最底層，Java把這一切都給透明化了。我們只需要知道String對象有這點特性，就夠了。

其他的，日常應用來說，還是按照String對象不可變來使用即可。

感謝閱讀，希望能幫助到大家，謝謝大家對本站的支持！