Java中的String为什么是不可变的？ -- String源码分析

http://www.2cto.com/kf/201401/272974.html

什么是不可变对象？

众所周知， 在Java中， String类是不可变的。那么到底什么是不可变的对象呢？ 可以这样认为：如果一个对象，在它创建完成之后，不能再改变它的状态，那么这个对象就是不可变的。不能改变状态的意思是，不能改变对象内的成员变量，包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能指向其他的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变。

区分对象和对象的引用

对于Java初学者， 对于String是不可变对象总是存有疑惑。看下面代码：

String s = "ABCabc";System.out.println("s = " + s);s = "123456";System.out.println("s = " + s);

打印结果为： s = ABCabc
s = 123456

首先创建一个String对象s，然后让s的值为“ABCabc”， 然后又让s的值为“123456”。 从打印结果可以看出，s的值确实改变了。那么怎么还说String对象是不可变的呢？ 其实这里存在一个误区： s只是一个String对象的引用，并不是对象本身。对象在内存中是一块内存区，成员变量越多，这块内存区占的空间越大。引用只是一个4字节的数据，里面存放了它所指向的对象的地址，通过这个地址可以访问对象。 也就是说，s只是一个引用，它指向了一个具体的对象，当s=“123456”; 这句代码执行过之后，又创建了一个新的对象“123456”， 而引用s重新指向了这个心的对象，原来的对象“ABCabc”还在内存中存在，并没有改变。内存结构如下图所示： 


Java和C++的一个不同点是， 在Java中不可能直接操作对象本身，所有的对象都由一个引用指向，必须通过这个引用才能访问对象本身，包括获取成员变量的值，改变对象的成员变量，调用对象的方法等。而在C++中存在引用，对象和指针三个东西，这三个东西都可以访问对象。其实，Java中的引用和C++中的指针在概念上是相似的，他们都是存放的对象在内存中的地址值，只是在Java中，引用丧失了部分灵活性，比如Java中的引用不能像C++中的指针那样进行加减运算。 

为什么String对象是不可变的？

要理解String的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。 在JDK1.6中，String的成员变量有以下几个：

public final class String    implements java.io.Serializable, Comparable, CharSequence{    /** The value is used for character storage. */    private final char value[];    /** The offset is the first index of the storage that is used. */    private final int offset;    /** The count is the number of characters in the String. */    private final int count;    /** Cache the hash code for the string */    private int hash; // Default to 0

在JDK1.7中，String类做了一些改动，主要是改变了substring方法执行时的行为，这和本文的主题不相关。JDK1.7中String类的主要成员变量就剩下了两个：

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

由以上的代码可以看出， 在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的所有字符都是属于String这个对象的。这个改变不影响本文的讨论。 除此之外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，这个成员变量也和本文的讨论无关。在Java中，数组也是对象（可以参考我之前的文章java中数组的特性）。 所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的： 
value，offset和count这三个变量都是private的，并且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改， 并且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的， 也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了， 也不能被改变。所以可以认为String对象是不可变的了。 
那么在String中，明明存在一些方法，调用他们可以得到改变后的值。这些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如如下代码：

String a = "ABCabc";System.out.println("a = " + a);a = a.replace('A', 'a');System.out.println("a = " + a);

打印结果为： a = ABCabc
a = aBCabc

那么a的值看似改变了，其实也是同样的误区。再次说明， a只是一个引用， 不是真正的字符串对象，在调用a.replace('A', 'a')时， 方法内部创建了一个新的String对象，并把这个心的对象重新赋给了引用a。String中replace方法的源码可以说明问题： 
读者可以自己查看其他方法，都是在方法内部重新创建新的String对象，并且返回这个新的对象，原来的对象是不会被改变的。这也是为什么像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的原因。也是为什么像下面这样调用不会改变对象的值： 

String ss = "123456";System.out.println("ss = " + ss);ss.replace('1', '0');System.out.println("ss = " + ss);

打印结果： ss = 123456
ss = 123456

String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？ 比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。 至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。 那么用什么方式可以访问私有成员呢？ 没错，用反射， 可以反射出String对象中的value属性， 进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。下面是实例代码： 

public static void testReflection() throws Exception {//创建字符串"Hello World"， 并赋给引用sString s = "Hello World"; System.out.println("s = " + s);//Hello World//获取String类中的value字段Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");//改变value属性的访问权限valueFieldOfString.setAccessible(true);//获取s对象上的value属性的值char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);//改变value所引用的数组中的第5个字符value[5] = '_';System.out.println("s = " + s);  //Hello_World}

打印结果为： s = Hello World
s = Hello_World

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化， 也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变， 那么就不能很好的保证Car对象不可变。 

http://www.cr173.com/html/18555_1.html

字符串操作是编写程序中最常见的行为，本文对String、StringBuilder、StringBuffer三个类在字符串处理方面的效率进行分析。

Java中最常见也是应用最广泛的类就是String类。

String：Strings are constant; their values cannot be changed after they are created.

这是JDK对String的解释，意思是：String是常量，一旦创建后它的值不能被修改。

先看String对象是如何创建的：

String str1 = “abc”;

String str2 = new String(“abc”);

这是我们常见的两种形式。

第一种方式创建的字符串会放在栈里，更确切的是常量池中，常量池就是用来保存在编译阶段确定好了大小的数据，一般我们定义的int等基本数据类型就保存在这里。其具体的一个流程就是，编译器首先检查常量池，看看有没有一个“abc”，如果没有则创建。如果有的话，则则直接把str1指向那个位置。

第二种创建字符串的方法是通过new关键字，还是java的内存分配，java会将new的对象放在堆中，这一部分对象是在运行时创建的对象。所以我们每一次new的时候，都会创建不同的对象，即便是堆中已经有了一个一模一样的。

下面的程序将验证上面的说法。

1 String str1 = "abc";
2 String str2 = new String("abc");
3 
4 String str3 = "abc";
5 String str4 = new String("abc");
6 
7 System.out.println(str1==str2);//false
8    
9 System.out.println(str1 == str3);//true
10 System.out.println(str2 == str4);//false
11 // When the intern method is invoked, if the pool already contains a
12 // string equal to this String object as determined by the
13 // equals(Object) method, then the string from the pool is returned.
14 // Otherwise, this String object is added to the pool and a reference to
15 // this String object is returned.
16 str2 = str2.intern();
17 System.out.println(str1==str2);//true
18 
19 false
20 true
21 false
22 true

以上程序中用两种方式创建的4个对象，”==”比较的是地址，从结果可以看到str1和str3相同，指向同一个对象。而str2和str4比较返回结果是false，说明str2和str4指向的不是同一个对象。

（上面用到了一个比较少见的方法：intern。在str2调用了intern方法后对str1和str2进行比较返回true，可以从代码注释中看明白，intern方法返回常量池中内容和该对象相同的对象，如果常量池中不存在，则将该对象加入到常量池中。）

String对象是不变的，那为什么可以进行str+=”abc”这样的操作？其实类似这样的操作是新生成了一个String对象，包含str和abc连接后的字符串。

1 package test;
2 
3 public class StringTest {
4public static void main(String[] args) {
5    String str1 = "abc";
6    str1 += "123";
7}
8 }

从编译之后的class可以看出编译器自动引入了StringBuilder类，通过它的初始化方法创建了StringBuilder对象，通过append方法添加了内容，调用toString返回连接后的对象。以上内容证明了String对象是不可变的，连接操作实际是返回了新的对象。如果是循环多次进行连接，将不断的创建StringBuilder对象，append新内容，toString成String对象。这就带来了String类处理字符串更改操作的效率问题。

1 public class StringTest {
2public static void main(String[] args) {
3    long start, end;
4 
5    StringBuilder strBuilder = new StringBuilder(" ");
6    start = System.currentTimeMillis();
7    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
8   strBuilder.append(" ");
9    }
10    end = System.currentTimeMillis();
11    System.out.println("StringBuilder append: " + (end - start) + "ms");
12 
13    String str = " ";
14    start = System.currentTimeMillis();
15    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
16   str += " ";
17    }
18    end = System.currentTimeMillis();
19    System.out.println("String +: " + (end - start) + "ms");
20}
21 }

可以看到String和StringBuilder在效率方便的差距。

StringBuffer：A thread-safe, mutable sequence of characters. A string buffer is like a String, but can be modified.

StringBuilder：A mutable sequence of characters. This class provides an API compatible with StringBuffer, but with no guarantee of synchronization.

StringBuffer是可变的、线程安全的字符串。StringBuilder就是StringBuffer的非线程同步的版本，二者的方法差不多，只是一个线程安全（适用于多线程）一个没有线程安全（适用于单线程）。