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String类型为什么不可变

IP云
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在学习Java的过程中，我们会被告知 String 被设计成不可变的类型。为什么 String 会被 Java 开发者有如此特殊的对待？他们的设计意图和设计理念到底是什么？因此，我带着以下三个问题，对String 进行剖析：

String 真的不可变？

String 底层实现： 

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, 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

    //other codes
}

String 的底层实现是依靠 char[] 数组，既然依靠的是基础类型变量，那么他一定是可变的， String 之所以不可变，是因为 Java 的开发者通过技术实现，隔绝了使用者对 String 的底层数据的操作。但是，我们可以同反射的机制，操作 String 的底层，检验其不可变的猜想。

反射的方式操作 String ： 

       //创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s
        String 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
 

通过两次字符串的输出，我们可以看到，String 被改变了，但是在代码里，几乎不会使用反射的机制去操作 String 字符串，所以，我们会认为 String 类型是不可变的。

为什么会将 String 设计为不可变

  • 安全

    • 引发安全问题，譬如，数据库的用户名、密码都是以字符串的形式传入来获得数据库的连接，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的值，造成安全漏洞

    • 保证线程安全，在并发场景下，多个线程同时读写资源时，会引竞态条件，由于 String 是不可变的，不会引发线程的问题而保证了线程

    • HashCode，当 String 被创建出来的时候，hashcode也会随之被缓存，hashcode的计算与value有关，若 String 可变，那么 hashcode 也会随之变化，针对于 Map、Set 等容器，他们的键值需要保证唯一性和一致性，因此，String 的不可变性使其比其他对象更适合当容器的键值。

  • 性能

    • 当字符串是不可变时，字符串常量池才有意义。字符串常量池的出现，可以减少创建相同字面量的字符串，让不同的引用指向池中同一个字符串，为运行时节约很多的堆内存。若字符串可变，字符串常量池失去意义，基于常量池的String.intern()方法也失效，每次创建新的 String 将在堆内开辟出新的空间，占据更多的内存

实例代码：

String 的不可变性： 

public static String appendStr(String s){
        s+="bbb";
        return s;
    }

    //可变的StringBuilder
    public static StringBuilder appendSb(StringBuilder sb){
        return sb.append("bbb");
    }

    public static void main(String[] args){
        //String做参数
        String s=new String("aaa");
        String ns=Test.appendStr(s);
        System.out.println("String aaa >>> "+s.toString()); // aaa

        //StringBuilder做参数
        StringBuilder sb=new StringBuilder("aaa");
        StringBuilder nsb=Test.appendSb(sb);
        System.out.println("StringBuilder aaa >>> "+sb.toString()); // aaabbb
    }

String 不可变的技术实现

打开JDK的源码： 

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, 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

    //other codes
}

  • String 类由关键字 final 修饰，说明该类不可继承

  • char value[] 属性也被 final 所修饰，说明 value 的引用在创建之后，就不能被改变

以上两点并不能完全实现 String 不可变 ，原因在于： 

final int[] value={1,2,3}
      int[] another={4,5,6};
value=another;    // 编译器报错，final不可变

value 被 final 修饰，只能保证引用不被改变，但是 value 所指向的堆中的数组，才是真实的数据，只要能够操作堆中的数组，依旧能改变数据。【解释：String实际上是可变的】 

final int[] value={1,2,3};
value[2]=100;  //这时候数组里已经是{1,2,100}

  • 所有的成员属性均被 private 关键字所修饰

为了实现 String 不可变，关键在于Java的开发者在设计和开发 String 的过程中，没有暴露任何的内部成员，与此同时 API 的设计是均没有操作 value 的值 , 而是采用 new String() 的方式返回新的字符串，保证了 String 的不可变。

JDK String API 源码： 

    public static String valueOf(char c) {
        char data[] = {c};
        return new String(data, true);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }

    public String concat(String str) {
        int otherLen = str.length();
        if (otherLen == 0) {
            return this;
        }
        int len = value.length;
        char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
        str.getChars(buf, len);
        return new String(buf, true);  //采用 new String() 的方式返回新的字符串
    }

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。

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