旅法师营地 | No.23

我所理解的JDK系列·第2篇·String对象是如何创建的

2020/06/14 JDK 共 3784 字，约 11 分钟

本文从一道经典面试题开始介绍了 String 的不可变性、底层结构、String 的创建流程，最后引出了另一道经典的 String、StringBuilder、StringBuffer 比较的面试题，希望能对你有所帮助。

jdk-2-封面

1. 开篇词

相信学习过 Java 的同学，在开始入坑 Java 的第一天都会见到这样一段代码：

public static void main(String[] args) {
 	System.out.println("Hello, World!");   
}

这几乎是每种语言必写的一个示例代码，而在这段 Java 代码中的 Hello, World! 就属于接下来要聊的 String 类，虽然它看上去很简单，但如果使用不当，还是会踩到一些不为人知的深坑。

比如说这道经典的面试题，下面这段代码最终输出的是 true 还是 false？

public static void main(String[] args) {
  String a = "abc";
  String b = new String("abc");
  String c = b.intern();
  System.out.println(a==b);
  System.out.println(a==c);
  System.out.println(b==c);
}

看完本篇关于 String 的介绍后，相信大家会对这个问题了然于胸，废话不多说，直入正题。

2. String 的不可变性

正如 String 类源码文档中所说的那样：String 是常量，它的值在创建后就不能改变。而 String 类的不可变性是由于它被 final 关键字所修饰。

jdk-2-1

2.1 final 关键字

顺便复习一下 Java 基础—— final 关键字的作用：

  • final 关键字可以被修饰于类、方法和变量
  • final 关键字强调的是一种不可变性，对于上述三种情况有不同的具体含义：
    • 当 final 被修饰于类时，表明该类不能被继承
    • 当 final 被修饰于方法时，表明该方法不能被重写
    • 当 final 被修饰于变量时，又分两种情况：
      • 若变量属于基本数据类型，那么它的值在初始化之后就不能再更改
      • 若变量是引用类型，那么在初始化之后它就不能再指向另外的对象

所以在 String 类上使用 final 关键字修饰，保证了 String 类不能被扩展。

2.2 String 底层结构

在 String 类中有一个 char 类型的数组，它是用来存储字符串的。

jdk-2-1

这个 char 类型的变量也是被 final 关键字修饰，而数组变量属于引用类型，它的值其实就是数组的地址，也就是说 value 数组在初始化之后就不能再指向另外的对象，这也是保证 String 类不可变性的方式之一。

但是这里有一点需要额外提到的就是，虽然 value 数组在初始化之后就不能再指向另外的对象，但是它原本指向的地址的内容是可以改变的。

下面是两个直接修改被 final 修饰的变量的示例。

final char[] str = {'1','2','3'};
// 直接赋值将 str 数组的内容修改为{'1','2','4'}
str[2] = '4';
// 通过反射将 str 数组的内容修改为{'1','2','5'}
java.lang.reflect.Array.set(str, 2, '5');

第一个方式是直接对 str 数组变量中元素进行赋值，第二个方式是通过反射修改数组内容。所以，要记得的是：被 final 修饰的引用类型变量只是引用地址不能改变。而为了保证 String 对象的内容，也就是 value 数组的元素不被修改，源码中也没有提供任何修改 value 数组的方法，这也是保证 String 类的不可变性的另一种方式。

但是，强大的 Java 提供了反射能力，这就让我们有了改变 String 内容的机会，比如：

jdk-2-2

这段代码的运行结果是：

原始内容：abc
修改后内容：Abc

即通过反射成功修改了 String 的值。

2.3 使用 final 修饰的原因

在这里需要提一下，为什么 Java 的开发者要使用 final 来修饰 String？

首先第一原因是高效，就拿常量池来说，只有变量是不可修改的，才能够被缓存起来，从而实现常量池的功能。

第二个原因是安全， Java 之父 James Gosling 解释过，迫使 String 类设计成不可变的另一个原因是安全，当你在调用其他方法时，比如调用一些系统级操作指令之前，可能会有一系列校验，如果是可变类的话，可能在你校验过后，它的内部的值又被改变了，这样有可能会引起严重的系统崩溃问题。

2. String 的创建流程

通常 String 类有两种创建方式，直接赋值和通过 new 关键词来创建，如：

String a = "abc";
String b = new String("abc");

2.1 直接赋值

先来说直接赋值的方式：首先会去常量池中寻找 abc 字符串是否存在，若已存在会将 a 变量直接指向常量池中的值。如果不存在，会在常量池中先创建一个 abc 字符串，然后把 str 指向刚刚创建出来的 abc 字符串。

2.2 new 关键字

对于使用 new 关键词来创建一个 String 对象的情况，首先虚拟机会在 Java 堆中创建一个 String 类型的对象，然后再去常量池中寻找 abc 字符串是否存在，如果存在，将创建的对象的值指向常量池中已存在的字符串；如果不存在会在常量池中创建一个 abc 字符串，然后把 Java 堆中的对象引用的值指向在常量池中创建的 abc 字符串。

2.3 代码示例

我们写个例子验证一下上面的结论。

public static void main(String[] args) {
    String a = "abc";
    String b = new String("abc");
    System.out.println(a==b);
}

下面这张图描述了示例代码中对象之间的关系。

jdk-2-3

第1行代码中使用直接赋值的方式，由于常量池中 abc 字符串已经存在（虚拟机在类加载期间在常量池中创建该字符串），所以 a 变量会直接指向常量池中的 abc 字符串。

第2行代码中使用 new String("abc") 创建了一个对象，所以会在堆中创建一个 value 数组对象，而此时常量池已存在 abc 字符串，所以 b 对象的 value 数组的引用值会指向常量池中的 abc 字符串。

最后，由于 a 对象的地址相当于常量池中 abc 字符串的地址，而 b 对象的地址相当于 value 对象的地址，这两者地址不相同，所以 a 与 b 两个对象不相等。

2.4 String#intern

其实除了上述的两种创建方式之外，还有一种方式可以创建 String 对象，那就是 String#intern 方法。

intern 是一个本地方法，它返回的是一个字符串对象，如果常量池已经包含了字符串，那么直接返回该字符串；否则，会将该字符串添加到常量池，并返回该字符串。

回到本文开篇词中提到的抛出的问题：

public static void main(String[] args) {
    String a = "abc";
    String b = new String("abc");
    String c = b.intern();
    System.out.println(a==b);
    System.out.println(a==c);
    System.out.println(b==c);
}

a 和 b 的关系我们已经知道了，那么对于使用 intern 方法返回的 c 字符串，会是怎样的情况呢？执行这个方法，我们会发现输出结果是：

false   // a!=b
true    // a==c
false   // b!=c

对照 intern 方法的作用，其实也能够知道这个结果：当调用 intern 方法时，如果常量池中存在 abc 字符串，那么直接返回。

在示例代码的场景中，此时 abc 字符串肯定已经存在于常量池中，而且这个字符串是在类加载期间创建的，同时又被赋值给 a 变量，所以 a==c 的判断结果是 true。

3. String、StringBuilder、StringBuffer

相信对于初级程序员来说，在面试中经常会被问到的问题就是：说一说 String、StringBuilder、StringBuffer 这三个类的区别？

简单来说，String 是线程不安全的，StringBuilder 也是线程不安全的，StringBuffer 是线程安全的（通过将方法加 synchronized 锁修饰）。且StringBuilder 和 StringBuffer 的速度比 String 要快，所以一般在进行字符串拼接时，如果不考虑线程安全性问题，推荐使用 StringBuilder。

说实话这个问题真的被问吐了，网上资料也非常多了，这里推荐下面这篇博客，里面还有实际的案例来比较 String、StringBuilder、StringBuffer 的速度：StringBuilder 比 String 快？空嘴白牙的，证据呢！

4. 小结

本文从一道经典面试题开始介绍了 String 的不可变性、底层结构、String 的创建流程，最后引出了另一道经典的 String、StringBuilder、StringBuffer 比较的面试题，希望能对你有所帮助。

5. 参考资料

  • On Java8
  • [Java性能调优实战第3讲字符串](https://time.geekbang.org/column/article/4a182f7bfe2e5f9397e6188099edf4b0/share?code=VCKLPjeXdS0XDO%2FWFcwkbB1I3fpf0EgS-zEXpNP0u8k%3D)

最后，本文收录于个人语雀知识库: 我所理解的后端技术，欢迎来访。

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