Java深入了解String对象

一,从根本上认识java.lang.String类和String池 
首先,我建议先看看String类的源码实现,这是从本质上认识String类的根本出发点.从中可以看到: 
1,String类是final的,不可被继承.public final class String. 
2,String类是的本质是字符数组char[], 并且其值不可改变.private final char value[]; 
然后打开String类的API文档,可以发现: 
3,String类对象有个特殊的创建的方式,就是直接指定比如String x = "abc","abc"就表示一个字符串对象.而x是"abc"对象的地址,也叫做"abc"对象的引用. 
4,String对象可以通过"+"串联.串联后会生成新的字符串.也可以通过concat()来串联,这个后面会讲述. 5,创建字符串的方式很多,归纳起来有三类: 
其一,使用new关键字创建字符串,比如String s1 = new String("abc"); 
其二,直接指定.比如String s2 = "abc"; 
其三,使用串联生成新的字符串.比如String s3 = "ab" + "c"; 
6,Java运行时会维护一个String Pool(String池),JavaDoc翻译很模糊"字符串缓冲区".String池用来存放运行时中产生的各种字符串,并且池中的字符串的内容不重复.而一般对象不存在这个缓冲池,并且创建的对象仅仅存在于方法的堆栈区.下面是个系统内存示意图:
二,String对象的创建 
String对象的创建也很讲究,关键是要明白其原理. 
原理1:当使用任何方式来创建一个字符串对象s时,Java运行时(运行中JVM)会拿着这个X在String池中找是否存在内容相同的字符串对象,如果不存在,则在池中创建一个字符串s,否则,不在池中添加.
原理2:Java中,只要使用new关键字来创建对象,则一定会(在堆区或栈区)创建一个新的对象.
原理3:使用直接指定或者使用纯字符串串联来创建String对象,则仅仅会检查维护String池中的字符串,池中没有就在池中创建一个,有则罢了!但绝不会在堆栈区再去创建该String对象.
原理4:使用包含变量的表达式来创建String对象,则不仅会检查维护String池,而且还会在堆栈区创建一个String对象.
另外,String的intern()方法是一个本地方法,定义为public native String intern(); intern()方法的价值在于让开发者能将注意力集中到String池上.当调用 intern 方法时,如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串(该对象由 equals(Object) 方法确定),则返回池中的字符串.否则,将此 String 对象添加到池中,并且返回此 String 对象的引用. 
最后,有几点问题请大家注意:String a; 与String a=null在作为类变量时候是等价的,在局部变量则不同.null表示一个空引用,String a=null意思是在栈中声明了a,但是这个a没有指向任何地址.此时我们注意到String a 在栈中声明了a,但是也没有指向任何地址,但是java的语法检查如果在局部变量中,String a;是不能直接使用的,String a=null中的这个a可以直接使用.
三,经常会问到的问题
1,"abc"与new String("abc");
String s = new String("abc");创建了几个String Object?(如这里创建了多少对象? 和一道小小的面试题 )
这个问题比较简单,涉及的知识点包括:
引用变量与对象的区别; 
字符串文字"abc"是一个String对象; 
文字池[pool of literal strings]和堆[heap]中的字符串对象.

引用变量与对象:除了一些早期的Java书籍和现在的垃圾书籍,人们都可以从中比较清楚地学习到两者的区别.A aa;语句声明一个类A的引用变量aa[我常常称之为句柄],而对象一般通过new创建.所以题目中s仅仅是一个引用变量,它不是对象.[ref 句柄,引用与对象]
Java中所有的字符串文字[字符串常量]都是一个String的对象.有人[特别是C程序员]在一些场合喜欢把字符串"当作/看成"字符数组,这也没有办法,因为字符串与字符数组存在一些内在的联系.事实上,它与字符数组是两种完全不同的对象.
System.out.println("Hello".length());
char[] cc={'H','i'};
System.out.println(cc.length);
字符串对象的创建:由于字符串对象的大量使用[它是一个对象,一般而言对象总是在heap分配内存],Java中为了节省内存空间和运行时间[如比较字符串时,==比equals()快],在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个文字池[pool of literal strings]中,而运行时文字池成为常量池的一部分.文字池的好处,就是该池中所有相同的字符串常量被合并,只占用一个空间.我们知道,对两个引用变量,使用==判断它们的值[引用]是否相等,即指向同一个对象:
String s1 = "abc" ;
String s2 = "abc" ;
if( s1 == s2 ) System.out.println("s1,s2 refer to the same object");
else System.out.println("trouble");
这里的输出显示,两个字符串文字保存为一个对象.就是说,上面的代码只在pool中创建了一个String对象.
现在看String s = new String("abc");语句,这里"abc"本身就是pool中的一个对象,而在运行时执行new String()时,将pool中的对象复制一份放到heap中,并且把heap中的这个对象的引用交给s持有.ok,这条语句就创建了2个String对象.
String s1 = new String("abc") ;
String s2 = new String("abc") ;
if( s1 == s2 ){ //不会执行的语句}
这时用==判断就可知,虽然两个对象的"内容"相同[equals()判断],但两个引用变量所持有的引用不同,
BTW:上面的代码创建了几个String Object? [三个,pool中一个,heap中2个.]
[Java2 认证考试学习指南 (第4版)( 英文版)p197-199有图解.]
2,字符串的+运算和字符串转换
字符串转换和串接是很基础的内容,因此我以为这个问题简直就是送分题.事实上,我自己就答错了.
String str = new String("jf"); // jf是接分
str = 1+2+str+3+4;
一共创建了多少String的对象?[我开始的答案:5个.jf,new,3jf,3jf3,3jf34]
首先看JLS的有关论述:
一,字符串转换的环境[JLS 5.4 String Conversion]
字符串转换环境仅仅指使用双元的+运算符的情况,其中一个操作数是一个String对象.在这一特定情形下,另一操作数转换成String,表达式的结果是这两个String的串接.
二,串接运算符[JLS 15.18.1 String Concatenation Operator + ]
如果一个操作数/表达式是String类型,则另一个操作数在运行时转换成一个String对象,并两者串接.此时,任何类型都可以转换成String.[这里,我漏掉了"3"和"4"]
如果是基本数据类型,则如同首先转换成其包装类对象,如int x视为转换成Integer(x). 
现在就全部统一到引用类型向String的转换了.这种转换如同[as if]调用该对象的无参数toString方法.[如果是null则转换成"null"].因为toString方法在Object中定义,故所有的类都有该方法,而且Boolean, Character, Integer, Long, Float, Double, and String改写了该方法. 
关于+是串接还是加法,由操作数决定.1+2+str+3+4 就很容易知道是"3jf34".[BTW :在JLS的15.18.1.3中举的一个jocular little example,真的很无趣.]
下面的例子测试了改写toString方法的情况..
class A
{ int i = 10; 
public static void main(String []args)
{ String str = new String("jf"); 
str += new A(); 
System.out.print(str); 
} 
public String toString(){ return " a.i ="+i+"\n"; }
}
三,字符串转换的优化
按照上述说法,str = 1+2+str+3+4;语句似乎应该就应该生成5个String对象:
1+2 ＝3,then 3→Integer(3)→"3" in pool? [假设如此] 
"3"+str(in heap) = "3jf" (in heap) 
"3jf" +3 ,first 3→Integer(3)→"3" in pool? [则不创建] then "3jf3" 
"3jf3"+4 create "4" in pool 
then "3jf34"
这里我并不清楚3,4转换成字符串后是否在池中,所以上述结果仍然是猜测.
为了减少创建中间过渡性的字符串对象,提高反复进行串接运算时的性能,a Java compiler可以使用StringBuffer或者类似的技术,或者把转换与串接合并成一步.例如:对于 a + b + c ,Java编译器就可以将它视为[as if]
new StringBuffer().append(a).append(b).append(c).toString();
注意,对于基本类型和引用类型,在append(a)过程中仍然要先将参数转换,从这个观点看,str = 1+2+str+3+4;创建的字符串可能是"3","4"和"3jf34"[以及一个StringBuffer对象].
现在我仍然不知道怎么回答str = 1+2+str+3+4;创建了多少String的对象,.或许,这个问题不需要过于研究,至少SCJP不会考它.
3,这又不同:str = "3"+"jf"+"3"+"4";
如果是一个完全由字符串文字组成的表达式,则在编译时,已经被优化而不会在运行时创建中间字符串.测试代码如下:
String str1 ="3jf34"; 
String str2 ="3"+"jf"+"3"+"4"; 
if(str1 == str2) { System.out.println("str1 == str2"); }
else { System.out.println("think again"); } 
if(str2.equals(str1)) System.out.println("yet str2.equals(str1)");
可见,str1与str2指向同一个对象,这个对象在pool中.所有遵循Java Language Spec的编译器都必须在编译时对constant expressions 进行简化.JLS规定:Strings computed by constant expressions (ý15.28) are computed at compile time and then treated as if they were literals.
对于String str2 ="3"+"jf"+"3"+"4";我们说仅仅创建一个对象.注意,"创建多少对象"的讨论是说运行时创建多少对象.
BTW:编译时优化
String x = "aaa " + "bbb "; 
if (false) { x = x + "ccc "; } 
x += "ddd "; 
等价于: String x = "aaa bbb "; x = x + "ddd ";
//这个地方我自己进行了编译,不过和他的结论不一样,好像当用x+="ddd"的时候和直接的x="aaa"+"bbb"+"ddd" 不同,但是具体为什么我也不清楚,正在研究中...
4,不变类
String对象是不可改变的(immutable).有人对str = 1+2+str+3+4;语句提出疑问,怎么str的内容可以改变?其实仍然是因为不清楚:引用变量与对象的区别.str仅仅是引用变量,它的值??它持有的引用可以改变.你不停地创建新对象,我就不断地改变指向.[参考TIJ的Read-only classes.]
不变类的关键是,对于对象的所有操作都不可能改变原来的对象[只要需要,就返回一个改变了的新对象].这就保证了对象不可改变.为什么要将一个类设计成不变类?有一个OOD设计的原则:Law of Demeter.其广义解读是:使用不变类.只要有可能,类应当设计为不变类.