Java String源碼分析

什么是不可變對(duì)象？

眾所周知， 在Java中， String類是不可變的。那么到底什么是不可變的對(duì)象呢？ 可以這樣認(rèn)為：如果一個(gè)對(duì)象，在它創(chuàng)建完成之后，不能再改變它的狀態(tài)，那么這個(gè)對(duì)象就是不可變的。不能改變狀態(tài)的意思是，不能改變對(duì)象內(nèi)的成員變量，包括基本數(shù)據(jù)類型的值不能改變，引用類型的變量不能指向其他的對(duì)象，引用類型指向的對(duì)象的狀態(tài)也不能改變。

區(qū)分對(duì)象和對(duì)象的引用

對(duì)于Java初學(xué)者， 對(duì)于String是不可變對(duì)象總是存有疑惑?？聪旅娲a：

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

打印結(jié)果為：

s = ABCabc
s = 123456

首先創(chuàng)建一個(gè)String對(duì)象s，然后讓s的值為“ABCabc”， 然后又讓s的值為“123456”。 從打印結(jié)果可以看出，s的值確實(shí)改變了。那么怎么還說String對(duì)象是不可變的呢？ 其實(shí)這里存在一個(gè)誤區(qū)： s只是一個(gè)String對(duì)象的引用，并不是對(duì)象本身。對(duì)象在內(nèi)存中是一塊內(nèi)存區(qū)，成員變量越多，這塊內(nèi)存區(qū)占的空間越大。引用只是一個(gè)4字節(jié)的數(shù)據(jù)，里面存放了它所指向的對(duì)象的地址，通過這個(gè)地址可以訪問對(duì)象。

也就是說，s只是一個(gè)引用，它指向了一個(gè)具體的對(duì)象，當(dāng)s=“123456”; 這句代碼執(zhí)行過之后，又創(chuàng)建了一個(gè)新的對(duì)象“123456”， 而引用s重新指向了這個(gè)心的對(duì)象，原來的對(duì)象“ABCabc”還在內(nèi)存中存在，并沒有改變。內(nèi)存結(jié)構(gòu)如下圖所示：

Java和C++的一個(gè)不同點(diǎn)是， 在Java中不可能直接操作對(duì)象本身，所有的對(duì)象都由一個(gè)引用指向，必須通過這個(gè)引用才能訪問對(duì)象本身，包括獲取成員變量的值，改變對(duì)象的成員變量，調(diào)用對(duì)象的方法等。而在C++中存在引用，對(duì)象和指針三個(gè)東西，這三個(gè)東西都可以訪問對(duì)象。其實(shí)，Java中的引用和C++中的指針在概念上是相似的，他們都是存放的對(duì)象在內(nèi)存中的地址值，只是在Java中，引用喪失了部分靈活性，比如Java中的引用不能像C++中的指針那樣進(jìn)行加減運(yùn)算。

為什么String對(duì)象是不可變的？

要理解String的不可變性，首先看一下String類中都有哪些成員變量。 在JDK1.6中，String的成員變量有以下幾個(gè)：

public final class String 
  implements java.io.Serializable, Comparable<String>, 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類做了一些改動(dòng)，主要是改變了substring方法執(zhí)行時(shí)的行為，這和本文的主題不相關(guān)。JDK1.7中String類的主要成員變量就剩下了兩個(gè)：

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 

由以上的代碼可以看出， 在Java中String類其實(shí)就是對(duì)字符數(shù)組的封裝。JDK6中， value是String封裝的數(shù)組，offset是String在這個(gè)value數(shù)組中的起始位置，count是String所占的字符的個(gè)數(shù)。在JDK7中，只有一個(gè)value變量，也就是value中的所有字符都是屬于String這個(gè)對(duì)象的。這個(gè)改變不影響本文的討論。 除此之外還有一個(gè)hash成員變量，是該String對(duì)象的哈希值的緩存，這個(gè)成員變量也和本文的討論無關(guān)。在Java中，數(shù)組也是對(duì)象（可以參考我之前的文章java中數(shù)組的特性）。 所以value也只是一個(gè)引用，它指向一個(gè)真正的數(shù)組對(duì)象。其實(shí)執(zhí)行了String s = “ABCabc”; 這句代碼之后，真正的內(nèi)存布局應(yīng)該是這樣的：

value，offset和count這三個(gè)變量都是private的，并且沒有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法來修改這些值，所以在String類的外部無法修改String。也就是說一旦初始化就不能修改， 并且在String類的外部不能訪問這三個(gè)成員。此外，value，offset和count這三個(gè)變量都是final的， 也就是說在String類內(nèi)部，一旦這三個(gè)值初始化了， 也不能被改變。所以可以認(rèn)為String對(duì)象是不可變的了。

那么在String中，明明存在一些方法，調(diào)用他們可以得到改變后的值。這些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如如下代碼：

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

打印結(jié)果為：

a = ABCabc
a = aBCabc

那么a的值看似改變了，其實(shí)也是同樣的誤區(qū)。再次說明， a只是一個(gè)引用， 不是真正的字符串對(duì)象，在調(diào)用a.replace('A', 'a')時(shí)， 方法內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)新的String對(duì)象，并把這個(gè)心的對(duì)象重新賦給了引用a。String中replace方法的源碼可以說明問題：

讀者可以自己查看其他方法，都是在方法內(nèi)部重新創(chuàng)建新的String對(duì)象，并且返回這個(gè)新的對(duì)象，原來的對(duì)象是不會(huì)被改變的。這也是為什么像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的原因。也是為什么像下面這樣調(diào)用不會(huì)改變對(duì)象的值：

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

打印結(jié)果：

ss = 123456
ss = 123456

String對(duì)象真的不可變嗎？

從上文可知String的成員變量是private final 的，也就是初始化之后不可改變。那么在這幾個(gè)成員中， value比較特殊，因?yàn)樗且粋€(gè)引用變量，而不是真正的對(duì)象。value是final修飾的，也就是說final不能再指向其他數(shù)組對(duì)象，那么我能改變value指向的數(shù)組嗎？ 比如將數(shù)組中的某個(gè)位置上的字符變?yōu)橄聞澗€“_”。 至少在我們自己寫的普通代碼中不能夠做到，因?yàn)槲覀兏静荒軌蛟L問到這個(gè)value引用，更不能通過這個(gè)引用去修改數(shù)組。

那么用什么方式可以訪問私有成員呢？ 沒錯(cuò)，用反射， 可以反射出String對(duì)象中的value屬性， 進(jìn)而改變通過獲得的value引用改變數(shù)組的結(jié)構(gòu)。下面是實(shí)例代碼：

public static void testReflection() throws Exception { 
   
  //創(chuàng)建字符串"Hello World"， 并賦給引用s 
  String s = "Hello World";  
   
  System.out.println("s = " + s); //Hello World 
   
  //獲取String類中的value字段 
  Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value"); 
   
  //改變value屬性的訪問權(quán)限 
  valueFieldOfString.setAccessible(true); 
   
  //獲取s對(duì)象上的value屬性的值 
  char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s); 
   
  //改變value所引用的數(shù)組中的第5個(gè)字符 
  value[5] = '_'; 
   
  System.out.println("s = " + s); //Hello_World 
} 

打印結(jié)果為：

s = Hello World
s = Hello_World

在這個(gè)過程中，s始終引用的同一個(gè)String對(duì)象，但是再反射前后，這個(gè)String對(duì)象發(fā)生了變化， 也就是說，通過反射是可以修改所謂的“不可變”對(duì)象的。但是一般我們不這么做。這個(gè)反射的實(shí)例還可以說明一個(gè)問題：如果一個(gè)對(duì)象，他組合的其他對(duì)象的狀態(tài)是可以改變的，那么這個(gè)對(duì)象很可能不是不可變對(duì)象。例如一個(gè)Car對(duì)象，它組合了一個(gè)Wheel對(duì)象，雖然這個(gè)Wheel對(duì)象聲明成了private final 的，但是這個(gè)Wheel對(duì)象內(nèi)部的狀態(tài)可以改變， 那么就不能很好的保證Car對(duì)象不可變。

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