字符串--String不可变

Leefs 2019-12-15 PM 4701℃ 3条

# 字符串--String不可变

### 前言

**可以证明，字符串操作是计算机程序设计中最常见的行为。**

本篇开始《Java编程思想》第13章，字符串的学习

### 一、不可变String

#### 1. 什么是不可变对象？

如果一个对象，在它创建完成之后，**不能再改变它的状态**，那么这个对象就是不可变的。

不能改变状态的意思是，不能改变对象内的成员变量，包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能指向其他的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变。

#### 2. 区分对象和对象的引用

许多初学Java的人，对于String是不可变对象总是存在疑惑。

> 代码示例

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

> 输出结果

```java
 s = ABCabc
 s = 123456
```

> 结果分析

首先创建一个String对象s,然后让s的值为“ABCabc”， 然后又让s的值为“123456”。

**从打印结果可以看出，s的值确实改变了。那么怎么还说String对象是不可变的呢？**

其实这里存在一个误区： s只是一个String对象的引用，并不是对象本身。对象在内存中是一块内存区，成员变量越多，这块内存区占的空间越大。引用只是一个4字节的数据，里面存放了它所指向的对象的地址，通过这个地址可以访问对象。

也就是说，S只是一个引用，它指向了一个具体的对象，当`s="123456";`这句代码执行以后，又创建了一个新的对象"123456",而引用s重新指向了这个新的对象，原来的对象"ABCabc"还在内存中存在，并没有改变。

> 内存结构图

![不可变String01.png][1]

Java和C++的一个不同点是， 在Java中不可能直接操作对象本身，所有的对象都由一个引用指向，必须通过这个引用才能访问对象本身，包括获取成员变量的值，改变对象的成员变量，调用对象的方法等。而在C++中存在引用，对象和指针三个东西，这三个东西都可以访问对象。其实，Java中的引用和C++中的指针在概念上是相似的，他们都是存放的对象在内存中的地址值，只是在Java中，引用丧失了部分灵活性，比如Java中的引用不能像C++中的指针那样进行加减运算。

#### 3. 为什么String对象是不可变的？

*要理解String的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。 在JDK1.6中，String的成员变量有以下几个：*

```java
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</string>
```

在JDK1.7中，String类做了一些改动，主要是改变了substring方法执行时的行为，这和本文的主题不相关。JDK1.7中String类的主要成员变量就剩下了两个：

由以上的代码可以看出， 在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的所有字符都是属于String这个对象的。

除此之外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，在Java中，数组也是对象， 所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的：

![不可变String02.png][2]

value，offset和count这三个变量都是private的，并且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改， 并且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的， 也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了， 也不能被改变。所以可以认为String对象是不可变的了。

#### 4. String中方法对其值的改变

那么在String中，明明存在一些方法，调用他们可以得到改变后的值。这些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等

> 示例

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

> 输出结果

```java
a = ABCabc
a = aBCabc
```

这是因为 a只是一个引用， 不是真正的字符串对象，在调用a.replace('A', 'a')时， 方法内部创建了一个新的String对象，并把这个新的对象重新赋给了引用a。

String中replace方法的源码：

![不可变String03.png][3]

#### 5. String不可变总结

> 1. 1.String类是final的，不可被继承。public final class String。
> 2. 2.String类是的本质是字符数组char[], 并且其值不可改变。private final char value[];
> 3. 3.String类对象有个特殊的创建的方式，就是直接指定比如String x = "abc"，"abc"就表示一个字符串对象。而x是"abc"对象的地址，也叫做"abc"对象的引用。
> 4. 4.String对象可以通过“+”串联
> 5. 5.Java运行时会维护一个String Pool（String池），JavaDoc翻译很模糊“字符串缓冲区”。String池用来存放运行时中产生的各种字符串，并且池中的字符串的内容不重复。而一般对象不存在这个缓冲池，并且创建的对象仅仅存在于方法的堆栈区。

### 6. String对象的创建原理

> 原理1: 当使用任何方式来创建一个字符串对象s时，Java运行时（运行中JVM）会拿着这个X在String池中找是否存在内容相同的字符串对象，如果不存在，则在池中创建一个字符串s，否则，不在池中添加。
>
> 原理2: Java中，只要使用new关键字来创建对象，则一定会（在堆区或栈区）创建一个新的对象。
>
> 原理3: 使用直接指定或者使用纯字符串串联来创建String对象，则仅仅会检查维护String池中的字符串，池中没有就在池中创建一个，有则罢了！但绝不会在堆栈区再去创建该String对象。
>
> 原理4: 使用包含变量的表达式来创建String对象，则不仅会检查维护String池，而且还会在堆栈区创建一个String对象。

#### 7. String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？ 比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。 至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。 那么用什么方式可以访问私有成员呢？ 没错，用反射， 可以反射出String对象中的value属性， 进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。

> 示例方法

```java
public static void testReflection() throws Exception {
     
    //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
}
```

> 运行结果

```java
s = Hello World
s = Hello_World
```

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化， 也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变， 那么就不能很好的保证Car对象不可变。

*附：[参考文章链接1](https://www.cnblogs.com/leskang/p/6110631.html)，[参考文章链接2](https://www.cnblogs.com/bjut-xiaorun/p/5294811.html)*

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标签: Java, Java编程思想, JavaSE

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