【Java基本功】一文读懂String及其包装类的实现原理

2019-01-07 本文已影响32人程序员黄小斜

String作为Java中最常用的引用类型，相对来说基本上都比较熟悉，无论在平时的编码过程中还是在笔试面试中，String都很受到青睐，然而，在使用String过程中，又有较多需要注意的细节之处。

String的连接



@Test

publicvoid contact () {

    //1连接方式

    String s1 = "a";

    String s2 = "a";

    String s3 = "a" + s2;

    String s4 = "a" + "a";

    String s5 = s1 + s2;

    //表达式只有常量时，编译期完成计算

    //表达式有变量时，运行期才计算，所以地址不一样

    System.out.println(s3 == s4); //f

    System.out.println(s3 == s5); //f

    System.out.println(s4 == "aa"); //t


}

String类型的intern



publicvoid intern () {

    //2：string的intern使用

    //s1是基本类型，比较值。s2是string实例，比较实例地址

    //字符串类型用equals方法比较时只会比较值

    String s1 = "a";

    String s2 = newString("a");

    //调用intern时,如果s2中的字符不在常量池，则加入常量池并返回常量的引用

    String s3 = s2.intern();

    System.out.println(s1 == s2);

    System.out.println(s1 == s3);

}

String类型的equals



//字符串的equals方法

//    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;

//        }

StringBuffer和Stringbuilder

底层是继承父类的可变字符数组value



/**

 * The value is used for character storage.

 */

char[] value;

初始化容量为16


/**

 * Constructs a string builder with no characters in it and an

 * initial capacity of 16 characters.

 */

publicStringBuilder() {

    super(16);

}

这两个类的append方法都是来自父类AbstractStringBuilder的方法


publicAbstractStringBuilder append(String str) {

    if (str == null)

        return appendNull();

    int len = str.length();

    ensureCapacityInternal(count + len);

    str.getChars(0, len, value, count);

    count += len;

    returnthis;

}

@Override

publicStringBuilder append(String str) {

    super.append(str);

    returnthis;

}


@Override

publicsynchronizedStringBuffer append(String str) {

    toStringCache = null;

    super.append(str);

    returnthis;

}

append



Stringbuffer在大部分涉及字符串修改的操作上加了synchronized关键字来保证线程安全，效率较低。


String类型在使用 + 运算符例如


String a = "a"


a = a + a;时，实际上先把a封装成stringbuilder，调用append方法后再用tostring返回，所以当大量使用字符串加法时，会大量地生成stringbuilder实例，这是十分浪费的，这种时候应该用stringbuilder来代替string。

扩容



#注意在append方法中调用到了一个函数


ensureCapacityInternal(count + len);

该方法是计算append之后的空间是否足够，不足的话需要进行扩容


publicvoid ensureCapacity(int minimumCapacity) {

    if (minimumCapacity > 0)

        ensureCapacityInternal(minimumCapacity);

}

privatevoid ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {

    // overflow-conscious code

    if (minimumCapacity - value.length > 0) {

        value = Arrays.copyOf(value,

                newCapacity(minimumCapacity));

    }

}

如果新字符串长度大于value数组长度则进行扩容


扩容后的长度一般为原来的两倍 + 2；


假如扩容后的长度超过了jvm支持的最大数组长度MAX_ARRAY_SIZE。


考虑两种情况


如果新的字符串长度超过int最大值，则抛出异常，否则直接使用数组最大长度作为新数组的长度。


privateint hugeCapacity(int minCapacity) {

    if (Integer.MAX_VALUE - minCapacity < 0) { // overflow

        thrownewOutOfMemoryError();

    }

    return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE)

        ? minCapacity : MAX_ARRAY_SIZE;

}

删除



这两个类型的删除操作：


都是调用父类的delete方法进行删除


publicAbstractStringBuilderdelete(int start, intend) {

    if (start < 0)

        thrownewStringIndexOutOfBoundsException(start);

    if (end > count)

        end = count;

    if (start > end)

        thrownewStringIndexOutOfBoundsException();

    int len = end - start;

    if (len > 0) {

        System.arraycopy(value, start+len, value, start, count-end);

        count -= len;

    }

    returnthis;

}

事实上是将剩余的字符重新拷贝到字符数组value。

这里用到了system.arraycopy来拷贝数组，速度是比较快的

system.arraycopy方法



转自知乎：


在主流高性能的JVM上（HotSpot VM系、IBM J9 VM系、JRockit系等等），可以认为System.arraycopy()在拷贝数组时是可靠高效的——如果发现不够高效的情况，请报告performance bug，肯定很快就会得到改进。


java.lang.System.arraycopy()方法在Java代码里声明为一个native方法。所以最naïve的实现方式就是通过JNI调用JVM里的native代码来实现。

String的不可变性

关于String的不可变性，这里转一个不错的回答

什么是不可变？

String不可变很简单，如下图，给一个已有字符串"abcd"第二次赋值成"abcedl"，不是在原内存地址上修改数据，而是重新指向一个新对象，新地址。

String为什么不可变？

翻开JDK源码，java.lang.String类起手前三行，是这样写的：



publicfinalclassStringimplements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {   

  /** String本质是个char数组. 而且用final关键字修饰.*/     

privatefinalchar value[];  ...  ...

 }

首先String类是用final关键字修饰，这说明String不可继承。再看下面，String类的主力成员字段value是个char[]数组，而且是用final修饰的。

final修饰的字段创建以后就不可改变。有的人以为故事就这样完了，其实没有。因为虽然value是不可变，也只是value这个引用地址不可变。挡不住Array数组是可变的事实。

Array的数据结构看下图。

也就是说Array变量只是stack上的一个引用，数组的本体结构在heap堆。

String类里的value用final修饰，只是说stack里的这个叫value的引用地址不可变。没有说堆里array本身数据不可变。看下面这个例子，



finalint[] value={1,2,3} ；

int[] another={4,5,6};

 value=another;    //编译器报错，final不可变 value用final修饰，编译器不允许我把value指向堆区另一个地址。

但如果我直接对数组元素动手，分分钟搞定。


finalint[] value={1,2,3};

 value[2]=100;  //这时候数组里已经是{1,2,100}   所以String是不可变，关键是因为SUN公司的工程师。

 在后面所有String的方法里很小心的没有去动Array里的元素，没有暴露内部成员字段。


privatefinalchar value[]这一句里，private的私有访问权限的作用都比final大。而且设计师还很小心地把整个String设成final禁止继承，避免被其他人继承后破坏。所以String是不可变的关键都在底层的实现，而不是一个final。考验的是工程师构造数据类型，封装数据的功力。

不可变有什么好处？

这个最简单地原因，就是为了安全。看下面这个场景（有评论反应例子不够清楚，现在完整地写出来），一个函数appendStr( )在不可变的String参数后面加上一段“bbb”后返回。appendSb( )负责在可变的StringBuilder后面加“bbb”。

总结以下String的不可变性。

1 首先final修饰的类只保证不能被继承，并且该类的对象在堆内存中的地址不会被改变。

2 但是持有String对象的引用本身是可以改变的，比如他可以指向其他的对象。

3 final修饰的char数组保证了char数组的引用不可变。但是可以通过char[0] = 'a'来修改值。不过String内部并不提供方法来完成这一操作，所以String的不可变也是基于代码封装和访问控制的。

举个例子



finalclassFi {

    int a;

    finalint b = 0;

    Integer s;


}

finalchar[]a = {'a'};

finalint[]b = {1};

@Test

publicvoidfinal修饰类() {

    //引用没有被final修饰，所以是可变的。

    //final只修饰了Fi类型，即Fi实例化的对象在堆中内存地址是不可变的。

    //虽然内存地址不可变，但是可以对内部的数据做改变。

    Fi f = newFi();

    f.a = 1;

    System.out.println(f);

    f.a = 2;

    System.out.println(f);

    //改变实例中的值并不改变内存地址。



    Fi ff = f;

    //让引用指向新的Fi对象，原来的f对象由新的引用ff持有。

    //引用的指向改变也不会改变原来对象的地址

    f = newFi();

    System.out.println(f);

    System.out.println(ff);

}

这里的对f.a的修改可以理解为char[0] = 'a'这样的操作。只改变数据值，不改变内存值。

要理解String里的intern方法，就要注意基本数据类型的拆箱装箱，以及对常量池的理解。

常量池和自动拆箱装箱



自动拆箱和装箱的原理其实与常量池有关。

3.1存在栈中：

publicvoid(int a)

{

int i = 1;

int j = 1;

}

方法中的i 存在虚拟机栈的局部变量表里，i是一个引用，j也是一个引用，它们都指向局部变量表里的整型值 1.

int a是传值引用，所以a也会存在局部变量表。






3.2存在堆里：

class A{

int i = 1;

A a = new A();

}

i是类的成员变量。类实例化的对象存在堆中，所以成员变量也存在堆中，引用a存的是对象的地址，引用i存的是值，这个值1也会存在堆中。可以理解为引用i指向了这个值1。也可以理解为i就是1.



3.3包装类对象怎么存

其实我们说的常量池也可以叫对象池。

比如String a= newString("a").intern()时会先在常量池找是否有“a"对象如果有的话直接返回“a"对象在常量池的地址，即让引用a指向常量”a"对象的内存地址。

public native String intern();

Integer也是同理。

下图是Integer类型在常量池中查找同值对象的方法。



publicstaticInteger valueOf(int i) {

    if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)

        returnIntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];

    returnnewInteger(i);

}

privatestaticclassIntegerCache {

    staticfinalint low = -128;

    staticfinalint high;

    staticfinalInteger cache[];


    static {

        // high value may be configured by property

        int h = 127;

        String integerCacheHighPropValue =

            sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");

        if (integerCacheHighPropValue != null) {

            try {

                int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);

                i = Math.max(i, 127);

                // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE

                h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);

            } catch( NumberFormatException nfe) {

                // If the property cannot be parsed into an int, ignore it.

            }

        }

        high = h;


        cache = newInteger[(high - low) + 1];

        int j = low;

        for(int k = 0; k < cache.length; k++)

            cache[k] = newInteger(j++);


        // range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)

        assertIntegerCache.high >= 127;

    }


    privateIntegerCache() {}

}

所以基本数据类型的包装类型可以在常量池查找对应值的对象，找不到就会自动在常量池创建该值的对象。

而String类型可以通过intern来完成这个操作。

JDK1.7后，常量池被放入到堆空间中，这导致intern()函数的功能不同，具体怎么个不同法，且看看下面代码，这个例子是网上流传较广的一个例子，分析图也是直接粘贴过来的，这里我会用自己的理解去解释这个例子：



[java] view plain copy

String s = newString("1");  

s.intern();  

String s2 = "1";  

System.out.println(s == s2);  


String s3 = newString("1") + newString("1");  

s3.intern();  

String s4 = "11";  

System.out.println(s3 == s4);  

输出结果为：


[java] view plain copy

JDK1.6以及以下：falsefalse  

JDK1.7以及以上：falsetrue

JDK1.6查找到常量池存在相同值的对象时会直接返回该对象的地址。

JDK 1.7后，intern方法还是会先去查询常量池中是否有已经存在，如果存在，则返回常量池中的引用，这一点与之前没有区别，区别在于，如果在常量池找不到对应的字符串，则不会再将字符串拷贝到常量池，而只是在常量池中生成一个对原字符串的引用。

那么其他字符串在常量池找值时就会返回另一个堆中对象的地址。