java String的深入理解

一、Java內(nèi)存模型 

按照官方的說(shuō)法：Java 虛擬機(jī)具有一個(gè)堆，堆是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，所有類(lèi)實(shí)例和數(shù)組的內(nèi)存均從此處分配。    

JVM主要管理兩種類(lèi)型內(nèi)存：堆和非堆，堆內(nèi)存（Heap Memory）是在 Java 虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，非堆內(nèi)存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的內(nèi)存。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，非堆包含方法區(qū)、JVM內(nèi)部處理或優(yōu)化所需的內(nèi)存（如 JITCompiler，Just-in-time Compiler，即時(shí)編譯后的代碼緩存）、每個(gè)類(lèi)結(jié)構(gòu)（如運(yùn)行時(shí)常數(shù)池、字段和方法數(shù)據(jù)）以及方法和構(gòu)造方法的代碼。     

Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類(lèi)的(對(duì)象從中分配空間。這些對(duì)象通過(guò)new、newarray、 anewarray和multianewarray等指令建立，它們不需要程序代碼來(lái)顯式的釋放。

堆是由垃圾回收來(lái)負(fù)責(zé)的，堆的優(yōu)勢(shì)是可以動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存大小，生存期也不必事先告訴編譯器，因?yàn)樗窃谶\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的，Java的垃圾收集器會(huì)自動(dòng)收走這些不再使用的數(shù)據(jù)。但缺點(diǎn)是，由于要在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，存取速度較慢。 　　

棧的優(yōu)勢(shì)是，存取速度比堆要快，僅次于寄存器，棧數(shù)據(jù)可以共享。但缺點(diǎn)是，存在棧中的數(shù)據(jù)大小與生存期必須是確定的，缺乏靈活性。棧中主要存放一些基本類(lèi)型的變量數(shù)據(jù)（int, short, long, byte, float, double, boolean, char）和對(duì)象句柄(引用)。     

虛擬機(jī)必須為每個(gè)被裝載的類(lèi)型維護(hù)一個(gè)常量池。常量池就是該類(lèi)型所用到常量的一個(gè)有序集合，包括直接常量（string,integer和 floating point常量）和對(duì)其他類(lèi)型，字段和方法的符號(hào)引用。 　　

對(duì)于String常量，它的值是在常量池中的。而JVM中的常量池在內(nèi)存當(dāng)中是以表的形式存在的， 對(duì)于String類(lèi)型，有一張固定長(zhǎng)度的CONSTANT_String_info表用來(lái)存儲(chǔ)文字字符串值，注意：該表只存儲(chǔ)文字字符串值，不存儲(chǔ)符號(hào)引用。說(shuō)到這里，對(duì)常量池中的字符串值的存儲(chǔ)位置應(yīng)該有一個(gè)比較明了的理解了。在程序執(zhí)行的時(shí)候,常量池會(huì)儲(chǔ)存在Method Area,而不是堆中。常量池中保存著很多String對(duì)象; 并且可以被共享使用，因此它提高了效率 

二、案例解析

public static void main(String[] args) { 
    /** 
     * 情景一：字符串池 
     * JAVA虛擬機(jī)(JVM)中存在著一個(gè)字符串池，其中保存著很多String對(duì)象; 
     * 并且可以被共享使用，因此它提高了效率。 
     * 由于String類(lèi)是final的，它的值一經(jīng)創(chuàng)建就不可改變。 
     * 字符串池由String類(lèi)維護(hù)，我們可以調(diào)用intern()方法來(lái)訪問(wèn)字符串池。 
     */ 
    String s1 = "abc";   
    //↑ 在字符串池創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象 
    String s2 = "abc";   
    //↑ 字符串pool已經(jīng)存在對(duì)象“abc”(共享),所以創(chuàng)建0個(gè)對(duì)象，累計(jì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象 
    System.out.println("s1 == s2 : "+(s1==s2));  
    //↑ true 指向同一個(gè)對(duì)象， 
    System.out.println("s1.equals(s2) : " + (s1.equals(s2)));  
    //↑ true 值相等 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景二：關(guān)于new String("") 
     * 
     */ 
    String s3 = new String("abc"); 
    //↑ 創(chuàng)建了兩個(gè)對(duì)象，一個(gè)存放在字符串池中，一個(gè)存在與堆區(qū)中； 
    //↑ 還有一個(gè)對(duì)象引用s3存放在棧中 
    String s4 = new String("abc"); 
    //↑ 字符串池中已經(jīng)存在“abc”對(duì)象，所以只在堆中創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象 
    System.out.println("s3 == s4 : "+(s3==s4)); 
    //↑false  s3和s4棧區(qū)的地址不同，指向堆區(qū)的不同地址； 
    System.out.println("s3.equals(s4) : "+(s3.equals(s4))); 
    //↑true s3和s4的值相同 
    System.out.println("s1 == s3 : "+(s1==s3)); 
    //↑false 存放的地區(qū)多不同，一個(gè)棧區(qū)，一個(gè)堆區(qū) 
    System.out.println("s1.equals(s3) : "+(s1.equals(s3))); 
    //↑true 值相同 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景三： 
     * 由于常量的值在編譯的時(shí)候就被確定(優(yōu)化)了。 
     * 在這里，"ab"和"cd"都是常量，因此變量str3的值在編譯時(shí)就可以確定。 
     * 這行代碼編譯后的效果等同于： String str3 = "abcd"; 
     */ 
    String str1 = "ab" + "cd"; //1個(gè)對(duì)象 
    String str11 = "abcd";  
    System.out.println("str1 = str11 : "+ (str1 == str11)); 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景四： 
     * 局部變量str2,str3存儲(chǔ)的是存儲(chǔ)兩個(gè)拘留字符串對(duì)象(intern字符串對(duì)象)的地址。 
     * 
     * 第三行代碼原理(str2+str3)： 
     * 運(yùn)行期JVM首先會(huì)在堆中創(chuàng)建一個(gè)StringBuilder類(lèi)， 
     * 同時(shí)用str2指向的拘留字符串對(duì)象完成初始化， 
     * 然后調(diào)用append方法完成對(duì)str3所指向的拘留字符串的合并， 
     * 接著調(diào)用StringBuilder的toString()方法在堆中創(chuàng)建一個(gè)String對(duì)象， 
     * 最后將剛生成的String對(duì)象的堆地址存放在局部變量str3中。 
     * 
     * 而str5存儲(chǔ)的是字符串池中"abcd"所對(duì)應(yīng)的拘留字符串對(duì)象的地址。 
     * str4與str5地址當(dāng)然不一樣了。 
     * 
     * 內(nèi)存中實(shí)際上有五個(gè)字符串對(duì)象： 
     *    三個(gè)拘留字符串對(duì)象、一個(gè)String對(duì)象和一個(gè)StringBuilder對(duì)象。 
     */ 
    String str2 = "ab"; //1個(gè)對(duì)象 
    String str3 = "cd"; //1個(gè)對(duì)象                     
    String str4 = str2+str3;                    
    String str5 = "abcd";  
    System.out.println("str4 = str5 : " + (str4==str5)); // false 
    //↑------------------------------------------------------over 
    /** 
     * 情景五： 
     * JAVA編譯器對(duì)string + 基本類(lèi)型/常量 是當(dāng)成常量表達(dá)式直接求值來(lái)優(yōu)化的。 
     * 運(yùn)行期的兩個(gè)string相加，會(huì)產(chǎn)生新的對(duì)象的，存儲(chǔ)在堆(heap)中 
     */ 
    String str6 = "b"; 
    String str7 = "a" + str6; 
    String str67 = "ab"; 
    System.out.println("str7 = str67 : "+ (str7 == str67)); 
    //↑str6為變量，在運(yùn)行期才會(huì)被解析。 
    final String str8 = "b"; 
    String str9 = "a" + str8; 
    String str89 = "ab"; 
    System.out.println("str9 = str89 : "+ (str9 == str89)); 
    //↑str8為常量變量，編譯期會(huì)被優(yōu)化 
    //↑------------------------------------------------------over 
  }

總結(jié)：

1.String類(lèi)初始化后是不可變的(immutable)

這一說(shuō)又要說(shuō)很多，大家只要知道String的實(shí)例一旦生成就不會(huì)再改變了，比如說(shuō)：String str=”kv”+”ill”+” “+”ans”; 就是有4個(gè)字符串常量，首先”kv”和”ill”生成了”kvill”存在內(nèi)存中，然后”kvill”又和” ” 生成 “kvill “存在內(nèi)存中，最后又和生成了”kvill ans”;并把這個(gè)字符串的地址賦給了str,就是因?yàn)镾tring的”不可變”產(chǎn)生了很多臨時(shí)變量，這也就是為什么建議用StringBuffer的原 因了，因?yàn)镾tringBuffer是可改變的。

　　 下面是一些String相關(guān)的常見(jiàn)問(wèn)題：

String中的final用法和理解 
final StringBuffer a = new StringBuffer(“111”); 
final StringBuffer b = new StringBuffer(“222”); 
a=b;//此句編譯不通過(guò) final StringBuffer a = new StringBuffer(“111”); 
a.append(“222”);// 編譯通過(guò)

可見(jiàn)，final只對(duì)引用的”值”(即內(nèi)存地址)有效，它迫使引用只能指向初始指向的那個(gè)對(duì)象，改變它的指向會(huì)導(dǎo)致編譯期錯(cuò)誤。至于它所指向的對(duì)象的變化，final是不負(fù)責(zé)的。

2.代碼中的字符串常量在編譯的過(guò)程中收集并放在class文件的常量區(qū)中，如”123”、”123”+”456”等，含有變量的表達(dá)式不會(huì)收錄，如”123”+a。

3.JVM在加載類(lèi)的時(shí)候，根據(jù)常量區(qū)中的字符串生成常量池，每個(gè)字符序列如”123”會(huì)生成一個(gè)實(shí)例放在常量池里，這個(gè)實(shí)例是不在堆里的，也不會(huì)被GC，這個(gè)實(shí)例的value屬性從源碼的構(gòu)造函數(shù)看應(yīng)該是用new創(chuàng)建數(shù)組置入123的，所以按我的理解此時(shí)value存放的字符數(shù)組地址是在堆里，如果有誤的話歡迎大家指正。

4.使用String不一定創(chuàng)建對(duì)象

在執(zhí)行到雙引號(hào)包含字符串的語(yǔ)句時(shí)，如String a = “123”，JVM會(huì)先到常量池里查找，如果有的話返回常量池里的這個(gè)實(shí)例的引用，否則的話創(chuàng)建一個(gè)新實(shí)例并置入常量池里。如果是 String a = “123” + b (假設(shè)b是”456”)，前半部分”123”還是走常量池的路線，但是這個(gè)+操作符其實(shí)是轉(zhuǎn)換成[SringBuffer].Appad()來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以最終a得到是一個(gè)新的實(shí)例引用，而且a的value存放的是一個(gè)新申請(qǐng)的字符數(shù)組內(nèi)存空間的地址(存放著”123456”)，而此時(shí)”123456”在常量池中是未必存在的。

要注意: 我們?cè)谑褂弥T如String str = “abc”；的格式定義類(lèi)時(shí)，總是想當(dāng)然地認(rèn)為，創(chuàng)建了String類(lèi)的對(duì)象str。擔(dān)心陷阱！對(duì)象可能并沒(méi)有被創(chuàng)建！而可能只是指向一個(gè)先前已經(jīng)創(chuàng)建的對(duì)象。只有通過(guò)new()方法才能保證每次都創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象

5.使用new String，一定創(chuàng)建對(duì)象

在執(zhí)行String a = new String(“123”)的時(shí)候，首先走常量池的路線取到一個(gè)實(shí)例的引用，然后在堆上創(chuàng)建一個(gè)新的String實(shí)例，走以下構(gòu)造函數(shù)給value屬性賦值，然后把實(shí)例引用賦值給a：

public String(String original) {
  int size = original.count;
  char[] originalValue = original.value;
  char[] v;
   if (originalValue.length > size) {
     // The array representing the String is bigger than the new
     // String itself. Perhaps this constructor is being called
     // in order to trim the baggage, so make a copy of the array.
      int off = original.offset;
      v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);
   } else {
     // The array representing the String is the same
     // size as the String, so no point in making a copy.
    v = originalValue;
   }
  this.offset = 0;
  this.count = size;
  this.value = v;
  }

從中我們可以看到，雖然是新創(chuàng)建了一個(gè)String的實(shí)例，但是value是等于常量池中的實(shí)例的value，即是說(shuō)沒(méi)有new一個(gè)新的字符數(shù)組來(lái)存放”123”。

如果是String a = new String(“123”+b)的情況，首先看回第4點(diǎn)，”123”+b得到一個(gè)實(shí)例后，再按上面的構(gòu)造函數(shù)執(zhí)行。

6.String.intern()

String對(duì)象的實(shí)例調(diào)用intern方法后，可以讓JVM檢查常量池，如果沒(méi)有實(shí)例的value屬性對(duì)應(yīng)的字符串序列比如”123”(注意是檢查字符串序列而不是檢查實(shí)例本身)，就將本實(shí)例放入常量池，如果有當(dāng)前實(shí)例的value屬性對(duì)應(yīng)的字符串序列”123”在常量池中存在，則返回常量池中”123”對(duì)應(yīng)的實(shí)例的引用而不是當(dāng)前實(shí)例的引用，即使當(dāng)前實(shí)例的value也是”123”。

public native String intern();

存在于.class文件中的常量池，在運(yùn)行期被JVM裝載，并且可以擴(kuò)充。String的 intern()方法就是擴(kuò)充常量池的 一個(gè)方法；當(dāng)一個(gè)String實(shí)例str調(diào)用intern()方法時(shí)，Java 查找常量池中 是否有相同Unicode的字符串常量，如果有，則返回其的引用，如果沒(méi)有，則在常 量池中增加一個(gè)Unicode等于str的字符串并返回它的引用；看示例就清楚了

/**
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 */
public static void main(String[] args) {
    String s0 = "kvill"; 
    String s1 = new String("kvill"); 
    String s2 = new String("kvill"); 
    System.out.println( s0 == s1 ); //false
    System.out.println( "**********" ); 
    s1.intern(); //雖然執(zhí)行了s1.intern(),但它的返回值沒(méi)有賦給s1
    s2 = s2.intern(); //把常量池中"kvill"的引用賦給s2 
    System.out.println( s0 == s1); //flase
    System.out.println( s0 == s1.intern() ); //true//說(shuō)明s1.intern()返回的是常量池中"kvill"的引用
    System.out.println( s0 == s2 ); //true
  }

最后我再破除一個(gè)錯(cuò)誤的理解：有人說(shuō)，“使用 String.intern() 方法則可以將一個(gè) String 類(lèi)的保存到一個(gè)全局 String 表中 ，如果具有相同值的 Unicode 字符串已經(jīng)在這個(gè)表中，那么該方法返回表中已有字符串的地址，如果在表中沒(méi)有相同值的字符串，則將自己的地址注冊(cè)到表中”如果我把他說(shuō)的這個(gè)全局的 String 表理解為常量池的話，他的最后一句話，”如果在表中沒(méi)有相同值的字符串，則將自己的地址注冊(cè)到表中”是錯(cuò)的：

public static void main(String[] args) {    
    String s1 = new String("kvill"); 
    String s2 = s1.intern(); 
    System.out.println( s1 == s1.intern() ); //false
    System.out.println( s1 + " " + s2 ); //kvill kvill
    System.out.println( s2 == s1.intern() ); //true
  }

在這個(gè)類(lèi)中我們沒(méi)有聲名一個(gè)”kvill”常量，所以常量池中一開(kāi)始是沒(méi)有”kvill”的，當(dāng)我們調(diào)用s1.intern()后就在常量池中新添加了一 個(gè)”kvill”常量，原來(lái)的不在常量池中的”kvill”仍然存在，也就不是“將自己的地址注冊(cè)到常量池中”了。

　　 s1==s1.intern() 為false說(shuō)明原來(lái)的”kvill”仍然存在；s2現(xiàn)在為常量池中”kvill”的地址，所以有s2==s1.intern()為true。

StringBuffer與StringBuilder的區(qū)別，它們的應(yīng)用場(chǎng)景是什么？

jdk的實(shí)現(xiàn)中StringBuffer與StringBuilder都繼承自AbstractStringBuilder，對(duì)于多線程的安全與非安全看到StringBuffer中方法前面的一堆synchronized就大概了解了。

這里隨便講講AbstractStringBuilder的實(shí)現(xiàn)原理：我們知道使用StringBuffer等無(wú)非就是為了提高java中字符串連接的效率，因?yàn)橹苯邮褂?進(jìn)行字符串連接的話，jvm會(huì)創(chuàng)建多個(gè)String對(duì)象，因此造成一定的開(kāi)銷(xiāo)。AbstractStringBuilder中采用一個(gè)char數(shù)組來(lái)保存需要append的字符串，char數(shù)組有一個(gè)初始大小，當(dāng)append的字符串長(zhǎng)度超過(guò)當(dāng)前char數(shù)組容量時(shí)，則對(duì)char數(shù)組進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，也即重新申請(qǐng)一段更大的內(nèi)存空間，然后將當(dāng)前char數(shù)組拷貝到新的位置，因?yàn)橹匦路峙鋬?nèi)存并拷貝的開(kāi)銷(xiāo)比較大，所以每次重新申請(qǐng)內(nèi)存空間都是采用申請(qǐng)大于當(dāng)前需要的內(nèi)存空間的方式，這里是2倍，

StringBuffer 始于 JDK 1.0

StringBuilder 始于 JDK 1.5

從 JDK 1.5 開(kāi)始，帶有字符串變量的連接操作（+），JVM 內(nèi)部采用的是
StringBuilder 來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而之前這個(gè)操作是采用 StringBuffer 實(shí)現(xiàn)的。

我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來(lái)看其執(zhí)行的流程：

/**
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 */
public class Buffer { 
   public static void main(String[] args) { 
      String s1 = "aaaaa"; 
      String s2 = "bbbbb"; 
      String r = null; 
      int i = 3694; 
      r = s1 + i + s2;  

      for(int j=0;i<10;j++){ 
        r+="23124"; 
      } 
   } 
}

使用命令javap -c Buffer查看其字節(jié)碼實(shí)現(xiàn)：

將清單1和清單2對(duì)應(yīng)起來(lái)看，清單2的字節(jié)碼中l(wèi)dc指令即從常量池中加載“aaaaa”字符串到棧頂，istore_1將“aaaaa”存到變量1中，后面的一樣，sipush是將一個(gè)短整型常量值(-32768~32767)推送至棧頂，這里是常量“3694”。  

讓我們直接看到13,13~17是new了一個(gè)StringBuffer對(duì)象并調(diào)用其初始化方法，20 ~ 21則是先通過(guò)aload_1將變量1壓到棧頂，前面說(shuō)過(guò)變量1放的就是字符串常量“aaaaa”，接著通過(guò)指令invokevirtual調(diào)用StringBuffer的append方法將“aaaaa”拼接起來(lái)，后續(xù)的24 ~ 30同理。最后在33調(diào)用StringBuffer的toString函數(shù)獲得String結(jié)果并通過(guò)astore存到變量3中。  

看到這里可能有人會(huì)說(shuō)，“既然JVM內(nèi)部采用了StringBuffer來(lái)連接字符串了，那么我們自己就不用用StringBuffer，直接用”+“就行了吧！“。是么？當(dāng)然不是了。俗話說(shuō)”存在既有它的理由”，讓我們繼續(xù)看后面的循環(huán)對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼。  

37~ 42都是進(jìn)入for循環(huán)前的一些準(zhǔn)備工作，37,38是將j置為1。44這里通過(guò)if_icmpge將j與10進(jìn)行比較，如果j大于10則直接跳轉(zhuǎn)到73，也即return語(yǔ)句退出函數(shù)；否則進(jìn)入循環(huán)，也即47~66的字節(jié)碼。這里我們只需看47到51就知道為什么我們要在代碼中自己使用StringBuffer來(lái)處理字符串的連接了，因?yàn)槊看螆?zhí)行“+”操作時(shí)jvm都要new一個(gè)StringBuffer對(duì)象來(lái)處理字符串的連接，這在涉及很多的字符串連接操作時(shí)開(kāi)銷(xiāo)會(huì)很大。

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