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String

目录

1. 前言
2. 思维导图
3. 源码解析
   • 类继承关系
   • 类成员变量
   • 类成员方法
   • 相关静态方法
4. StringBuilder 和 StringBuffer
5. 对象内存分配
6. 常见面试题
7. 参考

前言

对于 String，大家可能再常见不过了。我们知道，String 是一个不可变类，也由于它的不可变性，所以在类似拼接、裁剪字符串时，都会产生新的 String 对象。字符串操作不当就可能产生大量临时字符串，这也就引入了 StringBuilder 和 StringBuffer，它们之间的区别就在于是否线程安全。当然，你可能也知道 new String("Omooo") 和 String name = "Omooo" 的区别。

那么你是否知道 JDK9 之后对 String 实现的变化呢？StringBuilder 和 StringBuffer 除了线程安全还有哪些知识点呢？以及对 String 的编译器优化、+ 重载符的底层实现、intern() 方法的版本区别？

思维导图

源码解析

类继承关系

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

String 类由 final 修饰，是一个不可变类。

类成员变量

// JDK 10
private final byte[] value;
private final byte coder;	//采取的编码方式
static final boolean COMPACT_STRINGS;

static {
    COMPACT_STRINGS = true;		//压缩 String 存储空间
}
@Native static final byte LATIN1 = 0;
@Native static final byte UTF16  = 1;

在 JDK 9 之前，用的是 char 数组来存储 String 的值，之后就用 byte 数组来存储，一个 char 是两个 byte，在存储单个字符时以及拉丁语系的字符时，根本就不需要太宽的 char，所以在之后用了划分粒度更细的 byte 来存储，这也就带来了更小的内存占用和更快的操作速度。

String 支持多种编码，但是如果不指定编码的话，它可能使用两种编码方式，分别是 LATIN1 和 UTF16，LATIN1 其实就是 ISO 编码，属于单字节编码，而 UTF16 为双字节编码。

String 在表示因为字符或者数字时，会可能存在浪费空间的情况，比如在存储 what 字符串时：

在 java 9 之后就变成了：

可以看到，压缩之后存储更加紧凑了。默认是开启压缩的，即 COMPACT_STRINGS 默认为 true。

类成员方法

   //计算长度
	public int length() {
        return value.length >> coder();
    }
    byte coder() {
        return COMPACT_STRINGS ? coder : UTF16;
    }
	//获取指定位置的字符
    public char charAt(int index) {
        if (isLatin1()) {
            return StringLatin1.charAt(value, index);
        } else {
            return StringUTF16.charAt(value, index);
        }
    }
	//...

既然改变了编码方式，计算长度就需要考虑编码方式了，如果是 UTF16，双字节编码，那就是右移一位即长度为之前的 1/2。同时，也能看出来，默认采用的是单字节编码即 ISO 编码（COMPACT_STRINGS 默认为 true）。

剩下就是 String#intern() 方法：

public native String intern();

intern() 是在 Java6 引入的，目的是提示 JVM 把相应字符串放在常量池缓存起来。在我们创建字符串对象并调用 intern() 方法的时候，如果已经有了缓存的字符串，就会返回缓存里面的实例，否则就将其缓存起来。

在使用 Java6 中并不推荐大量使用 intern() 方法，这是因为被缓存的字符串是存在所谓的 PermGen 里的，也就是永久代，这个空间是有限的，也基本不会被除了 FullGC 之外的垃圾收集照顾到，所以，如果使用不当，OOM 就会光顾。在后续版本中，这个缓存被放置在堆上，这样就极大避免了永久代被占满的问题，甚至永久代在 JDK8 中被 MetaSpace（元数据区）替代了。而且，默认缓存大小也在不断的扩大中。

还有就是在 Java7 中，intern 方法做了些改变，进行拷贝的时候不是拷贝对象，而是拷贝地址值。这里强烈推荐 String类相关面试题很难？不要方，问题不大 这一篇文章。

Intern 是一种显式的重排机制，但是它也有一定的副作用，那就是需要手动调用。我想基本上很少有人用到这个方法，因为我们很难预计字符串的重复情况，反而是一种看视一种冗余的操作。好在，在 JDK8 中，推出了一种新特性，那就是 G1 GC 下的字符串重排，它是通过将相同数据的字符串指向同一份数据来做到的，是 JVM 底层的改变，并不需要 Java 类库做什么修改。

StringBuilder 和 StringBuffer

StringBuffer 是 StringBuilder 的线程安全版本，二者都继承了 AbstractStringBuilder，StringBuffer 在修改字符串操作 （append、replace、substring 等）的时候都加了 synchronized，这里就以 StringBuilder 来分析。

StringBuilder sb = new StringBuilder("Om");
String name = sb.append("o").append("o").append("o").toString();

首先需要明确的就是 StringBuilder 和 StringBuffer 针对字符串的修改都是通过 byte[] 数组的。

既然是通过内部数组来实现的，那么内部数组应该创建多大呢？

public StringBuilder(String str) {
   	//1.创建一个初始容量+16 的 byte[] 数组
	super(str.length() + 16);
    //2.把原 byte[] 数组的值拷贝到新数组
	append(str);
}

	//super(str.length() + 16)调用的 AbstractStringBuilder 的构造方法
    AbstractStringBuilder(int capacity) {
        if (COMPACT_STRINGS) {
            value = new byte[capacity];
            coder = LATIN1;
        } else {
            value = StringUTF16.newBytesFor(capacity);
            coder = UTF16;
        }
    }

所以，当如果已知可能拼接的字符串长度过时，可以这样指定：

StringBuilder sb = new StringBuilder(30);

这就避免了拼接了长度大于十六之后导致数组拷贝的开销，在循环中拼接字符串要特别注意。

还有一种情况，那就是在 for 循环中使用 + 拼接字符串，这也是要极力避免的，因为 + 重载符底层也是通过 StringBuilder 来实现的，实际上这句话也不太准确，因为存在编译器优化的情况。

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        String s = "Name: " + "Omooo";
        System.out.println(s);
        System.out.println(add("Omooo"));
    }

    private static String add(String name) {
        return "Name: " + name;
    }
}

由于字符串的不可变性，所以在编译阶段就能确定 s 的值，所以也就不需要 StringBuilder。对于 add 方法，我们直接看编译后的字节码即可（IDEA -> View -> Show Bytecode）：

   L0
    LINENUMBER 11 L0
    NEW java/lang/StringBuilder
    DUP
    INVOKESPECIAL java/lang/StringBuilder.<init> ()V
    LDC "Name: "
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
    ALOAD 0
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
    INVOKEVIRTUAL java/lang/StringBuilder.toString ()Ljava/lang/String;
    ARETURN
   L1
    LOCALVARIABLE name Ljava/lang/String; L0 L1 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1

可以明显的看出是通过 StringBuilder 来实现的，以上是在 JDK8 环境，对于 JDK8 之后则是：

  private static add(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
   L0
    LINENUMBER 12 L0
    ALOAD 0
    INVOKEDYNAMIC makeConcatWithConstants(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String; [
      // handle kind 0x6 : INVOKESTATIC
      java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
      // arguments:
      "Name: \u0001"
    ]
    ARETURN
   L1
    LOCALVARIABLE name Ljava/lang/String; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

可以看到是通过 StringConcatFactory.makeConcatWithConstants ，查看源码其实内部也是通过 StringBuilder 来实现的。

对象内存分配

关于内存分配这一块，再次推荐一遍 String类相关面试题很难？不要方，问题不大 这一篇文章。

String 对象创建有两种方式：

1. 字面量赋值

   String str = "Omooo"
   

   这样创建字符串对象，首先会去常量池中找有没有这个字符串，如果有就直接指向，没有就先往常量池中添加再指向。

2. new 创建

   String str = new String("Omooo");
   

   当然，我们肯定不会这样写。如果这样写了，它会做两件事。

   首先在堆上创建该字符串对象，然后去看常量池中是否有该字符串，如果有就算了，没有就往常量池中添加一个。

String 对象的内存分配讲完了，那就看这一道题：

String str1 = new String("str")+new String("01");
str1.intern();
String str2 = "str01";
System.out.println(str2==str1);

输出 true。

在 JDK 1.7 之后，intern 方法做了些改变，进行拷贝的时候不是拷贝对象，而是拷贝地址值。

那么在想想一下两个呢？

String str1 = new String("str")+new String("01");
String str2 = "str01";
str1.intern();
System.out.println(str2==str1);

String str1 = new String("str")+new String("01");
String str2 = "str01";
str1 = str1.intern();
System.out.println(str2==str1);

常见面试题

1. String、StringBuilder、StingBuffer 的区别？
2. String name = "Omooo" 和 String name = new String("Omoo") 、String name = new String("Omoo") + "o" 的区别以及分别创建了多少个对象？

更新

String 不可变性的理解？

往往一般的回答里只会说道 String 被 final 修饰就完事了。其实有两点：

1. String 被 final 修饰，说明 String 类绝不可能被继承了，也就是说任何对 String 的操作方法，都不会被继承覆写
2. String 中保存数据的是一个 char 的数组 value，value 也是被 final 修饰的，也就是说 value 一旦被赋值，内存地址是绝对无法被修改的，而且 value 的权限是 private 的，外部绝对访问不到，String 也没有开放出可以对 value 进行赋值的方法，所以说 value 一旦产生，内存地址就根本无法被修改

因为 String 具有不变性，所以 String 的大多数操作方法，就会返回新的 String，如下面这种写法是不对的：

String str = "2333";
// 无法替换，要改成: str = str.replace("2", "3");
str.replace("2", "3")

参考

String 源码浅析(一)

Java9后String的空间优化

String类相关面试题很难？不要方，问题不大

G1垃圾回收器中的字符串去重

第5讲 | String、StringBuffer、StringBuilder有什么区别？