温故知新（1）深入认识Java中的字符串
- coldplay.xixike hadapan
- 2020-09-18 17:32:242852semak imbas
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初学Java时我们已经知道Java中可以分为两大数据类型，分别为基本数据类型和引用数据类型。而在这两大数据类型中有一个特殊的数据类型String，String属于引用数据类型，但又有区别于其它的引用数据类型。可以说它是数据类型中的一朵奇葩。那么，本篇文章我们就来深入的认识一下Java中的String字符串。
一、从String字符串的内存分配说起
上一篇文章《温故知新--你不知道的JVM内存分配》详细的分析了JVM的内存模型。在常量池部分我们了解了三种常量池，分别为：字符串常量池、Class文件常量池以及运行时常量池。而字符串的内存分配则和字符串常量池有着莫大的关系。
我们知道，实例化一个字符串可以通过两种方法来实现，第一种最常用的是通过字面量赋值的方式，另一种是通过构造方法传参的方式。代码如下：
String str1="abc";
String str2=new String("abc");复制代码这两种方式在内存分配上有什么不同呢? 相信大家在初学Java的时候老师都有给我们讲解过：
1.通过字面量赋值的方式创建String，只会在字符串常量池中生成一个String对象。 2.通过构造方法传入String参数的方式会在堆内存和字符串常量池中各生成一个String对象，并将堆内存上String的引用放入栈。
这样的回答正确吗？至少在现在看来并不完全正确，因为它完全取决于使用的Java版本。上一篇文章《温故知新--你不知道的JVM内存分配》谈到HotSpot虚拟机在不同的JDK上对于字符串常量池的实现是不同的，摘录如下：
在JDK7以前，字符串常量池在方法区（永久代）中，此时常量池中存放的是字符串对象。而在JDK7中，字符串常量池从方法区迁移到了堆内存，同时将字符串对象存到了Java堆，字符串常量池中只是存入了字符串对象的引用。
这句话应该怎么理解呢？我们以String str1=new String("abc")为例来分析：
1.JDK6中的内存分配
先来分析一下JDK6的内存分配情况，如下图所示：
当调用new String("abc")后，会在Java堆与常量池中各生成一个“abc”对象。同时，将str1指向堆中的“abc”对象。
2.JDK7中的内存分配
而在JDK7及以后版本中，由于字符串常量池被移到了堆内存，所以内存分配方式也有所不同，如下图所示：
当调用了new String("abc")后，会在堆内存中创建两个“abc"对象，str1指向其中一个”abc"对象，而常量池中则会生成一个“abc"对象的引用，并指向另一个”abc"对象。
至于Java中为什么要这么设计，我们在上篇文章中也已经解释了： 因为String是Java中使用最频繁的一种数据类型，为了节省程序内存提高程序性能，Java的设计者们开辟了一块字符串常量池区域，这块区域是是所有类共享的，每个虚拟机只有一个字符串常量池。因此，在使用字面量方式赋值的时候，如果字符串常量池中已经有了该字符串，则不会在堆内存中重新创建对象，而是直接将其指向了字符串常量池中的对象。
二、String的intern()方法
在了解了String的内存分配之后，我们需要再来认识一下String中一个很重要的方法：String.intern()。
很多读者可能对于这一方法并不是太了解，但并不代表他不重要。我们先来看一下intern()方法的源码：
/**
* Returns a canonical representation for the string object.
* <p>
* A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
* class {@code String}.
* <p>
* When the intern method is invoked, if the pool already contains a
* string equal to this {@code String} object as determined by
* the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
* returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
* pool and a reference to this {@code String} object is returned.
* <p>
* It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
* {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
* if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
* <p>
* All literal strings and string-valued constant expressions are
* interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
* <cite>The Java™ Language Specification</cite>.
*
* @return a string that has the same contents as this string, but is
* guaranteed to be from a pool of unique strings.
*/
public native String intern();复制代码emmmmm....居然是一个native方法，不过没关系，即使看不到源码我们也能从其注释中得到一些信息：当调用intern方法的时候，如果字符串常量池中已经包含了一个等于该String对象的字符串，则直接返回字符串常量池中该字符串的引用。否则，会将该字符串对象包含的字符串添加到常量池，并返回此对象的引用。
1.一个关于intern()的简单例子
了解了intern方法的用途之后，来看一个简单的列子：
public class Test { public static void main(String[] args) {
String str1 = "hello world";
String str2 = new String("hello world");
String str3=str2.intern();
System.out.println("str1 == str2:"+(str1 == str2));
System.out.println("str1 == str3:"+(str1 == str3));
}
}复制代码上面的一段代码会输出什么？编译运行之后如下：
如果理解了intern方法就很容易解释这个结果了，从上面截图中可以看到，我们的运行环境是JDK8。
String str1 = "hello world"; 这行代码会首先在Java堆中创建一个对象，并将该对象的引用放入字符串常量池中，str1指向常量池中的引用。
String str2 = new String("hello world");这行代码会通过new来实例化一个String对象，并将该对象的引用赋值给str2，然后检测字符串常量池中是否已经有了与“hello world”相等的对象，如果没有，则会在堆内存中再生成一个值为"hello world"的对象，并将其引用放入到字符串常量池中，否则，不会再去创建。这里，第一行代码其实已经在字符串常量池中保存了“hello world”字符串对象的引用，因此，第二行代码就不会再次向常量池中添加“hello world"的引用。
String str3=str2.intern(); 这行代码会首先去检测字符串常量池中是否已经包含了”hello world"的String对象，如果有则直接返回其引用。而在这里，str2.intern()其实刚好返回了第一行代码中生成的“hello world"对象。
因此【System.out.println("str1 == str3:"+(str1 == str3));】这行代码会输出true.
如果切到JDK6，其打印结果与上一致，至于原因读者可以自行分析。
2.改造例子，再看intern
上一节中我们通过一个例子认识了intern()方法的作用，接下来，我们对上述例子做一些修改：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
String str1=new String("he")+new String("llo");
String str2=str1.intern();
String str3="hello";
System.out.println("str1 == str2:"+(str1 == str2));
System.out.println("str2 == str3:"+(str2 == str3));
}
}复制代码先别急着看下方答案，思考一下在JDK7（或JDK7之后）及JDK6上会输出什么结果？
1).JDK8的运行结果分析
我们先来看下我们先来看下JDK8的运行结果：
通过运行程序发现输出的两个结果都是true，这是为什么呢？我们通过一个图来分析：
String str1=new String("he")+new String("llo"); 这行代码中new String("he")和new String("llo")会在堆上生成四个对象，因为与本例无关，所以图上没有画出，new String("he")+new String("llo")通过”+“号拼接后最终会生成一个"hello"对象并赋值给str1。
String str2=str1.intern(); 这行代码会首先检测字符串常量池，发现此时还没有存在与”hello"相等的字符串对象的引用，而在检测堆内存时发现堆中已经有了“hello"对象，遂将堆中的”hello"对象的应用放入字符串常量池中。
String str3="hello"; 这行代码发现字符串常量池中已经存在了“hello"对象的引用，因此将str3指向了字符串常量池中的引用。
此时，我们发现str1、str2、str3指向了堆中的同一个”hello"对象，因此，就有了上边两个均为true的输出结果。
2).JDK6的运行结果分析
我们将运行环境切换到JDK6，来看下其输出结果：
有点意思！相同的代码在不同的JDK版本上输出结果竟然不相等。这是怎么回事呢？我们还通过一张图来分析：
String str1=new String("he")+new String("llo"); 这行代码会通过new String("he")和new String("llo")会分别在Java堆与字符串常量池中各生成两个String对象，由于与本例无关，所以并没有在图中画出。而new String("he")+new String("llo")通过“+”号拼接后最终会在Java堆上生成一个"hello"对象，并将其赋值给了str1。
String str2=str1.intern(); 这行代码检测到字符串常量池中还没有“hello"对象，因此将堆中的”hello“对象复制到了字符串常量池，并将其赋值给str2。
String str3="hello"; 这行代码检测到字符串常量池中已经有了”hello“对象，因此直接将str3指向了字符串常量池中的”hello“对象。 此时str1指向的是Java堆中的”hello“对象，而str2和str3均指向了字符串常量池中的对象。因此，有了上面的输出结果。
通过这两个例子，相信大家因该对String的intern()方法有了较深的认识。那么intern()方法具体在开发中有什么用呢？推荐大家可以看下美团技术团队的一篇文章《深入解析String#intern》中举的两个例子。限于篇幅，本文不再举例分析。
三、String类的结构及特性分析
前两节我们认识了String的内存分配以及它的intern()方法，这两节内容其实都是对String内存的分析。到目前为止，我们还并未认识String类的结构以及它的一些特性。那么本节内容我们就此来分析。先通过一段代码来大致了解一下String类的结构（代码取自jdk8）：
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
// ...}复制代码可以看到String类实现了Serializable接口、Comparable接口以及CharSequence接口，意味着它可以被序列化，同时方便我们排序。另外，String类还被声明为了final类型，这意味着String类是不能被继承的。而在其内部维护了一个char数组，说明String是通过char数组来实现的，同时我们注意到这个char数组也被声明为了final，这也是我们常说的String是不可变的原因。
1.不同JDK版本之间String的差异
Java的设计团队一直在对String类进行优化，这就导致了不同jdk版本上String类的实现有些许差异，只是我们使用上并无感知。下图列出了jdk6-jdk9中String源码的一些变化。
可以看到在Java6之前String中维护了一个char 数组、一个偏移量 offset、一个字符数量 count以及一个哈希值 hash。 String对象是通过 offset 和 count 两个属性来定位 char[] 数组，获取字符串。这么做可以高效、快速地共享数组对象，同时节省内存空间，但这种方式很有可能会导致内存泄漏。
在Java7和Java8的版本中移除了 offset 和 count 两个变量了。这样的好处是String对象占用的内存稍微少了些，同时 String.substring 方法也不再共享 char[]，从而解决了使用该方法可能导致的内存泄漏问题。
从Java9开始，String中的char数组被byte[]数组所替代。我们知道一个char类型占用两个字节，而byte占用一个字节。因此在存储单字节的String时，使用char数组会比byte数组少一个字节，但本质上并无任何差别。 另外，注意到在Java9的版本中多了一个coder，它是编码格式的标识，在计算字符串长度或者调用 indexOf() 函数时，需要根据这个字段，判断如何计算字符串长度。coder 属性默认有 0 和 1 两个值， 0 代表Latin-1（单字节编码），1 代表 UTF-16 编码。如果 String判断字符串只包含了 Latin-1，则 coder 属性值为 0 ，反之则为 1。
2.String字符串的裁剪、拼接等操作分析
在本节内容的开头我们已经知道了字符串的不可变性。那么为什么我们还可以使用String的substring方法进行裁剪，甚至可以直接使用”+“连接符进行字符串的拼接呢？
(1)String的substring实现
关于substring的实现，其实我们直接深入String的源码查看即可，源码如下：
public String substring(int beginIndex) { if (beginIndex < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
} int subLen = value.length - beginIndex; if (subLen < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
} return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}复制代码从这段代码中可以看出，其实字符串的裁剪是通过实例化了一个新的String对象来实现的。所以，如果在项目中存在大量的字符串裁剪的代码应尽量避免使用String，而是使用性能更好的StringBuilder或StringBuffer来处理。
(2)String的字符串拼接实现
1）字符串拼接方案性能对比
关于字符串的拼接有很多实现方法，在这里我们举三个例子来进行一个性能对比，分别如下：
使用”+“操作符拼接字符串
public class Test { private static final int COUNT=50000; public static void main(String[] args) {
String str=""; for(int i=0;i<COUNT;i++) {
str=str+"abc";
}
}复制代码使用String的concat()方法拼接
public class Test { private static final int COUNT=50000; public static void main(String[] args) {
String str=""; for(int i=0;i<COUNT;i++) {
str=str+"abc";
}
}复制代码使用StringBuilder的append方法拼接
public class Test { private static final int COUNT=50000; public static void main(String[] args) {
StringBuilder str=new StringBuilder(); for(int i=0;i<COUNT;i++) {
str.append("abc");
}
}复制代码如上代码，通过三种方法分别进行了50000次字符串拼接，每种方法分别运行了20次。统计耗时，得到以下表格：
| 拼接方法 | 最小用时（ms） | 最大用时(ms) | 平均用时（ms） |
|---|---|---|---|
| "+"操作符 | 4868 | 5146 | 4924 |
| String的concat方法 | 2227 | 2456 | 2296 |
| StringBuilder的append方法 | 4 | 12 | 6.6 |
从以上数据中可以很直观的看到”+“操作符的性能是最差的，平均用时达到了4924ms。其次是String的concat方法，平均用时也在2296ms。而表现最为优秀的是StringBuilder的append方法，它的平均用时竟然只有6.6ms。这也是为什么在开发中不建议使用”+“操作符进行字符串拼接的原因。
2）三种字符串拼接方案原理分析
”+“操作符的实现原理由于”+“操作符是由JVM来完成的，我么无法直接看到代码实现。不过Java为我们提供了一个javap的工具，可以帮助我们将Class文件进行一个反汇编，通过汇编指令，大致可以看出”+“操作符的实现原理。
public class Test { private static final int COUNT=50000; public static void main(String[] args) { for(int i=0;i<COUNT;i++) {
str=str+"abc";
}
}复制代码把上边这段代码编译后，执行javap，得到如下结果：
注意图中的”11：“行指令处实例化了一个StringBuilder，在"19："行处调用了StringBuilder的append方法，并在第”27："行处调用了String的toString()方法。可见，JVM在进行”+“字符串拼接时也是用了StringBuilder来实现的，但为什么与直接使用StringBuilder的差距那么大呢？其实，只要我们将上边代码转换成虚拟机优化后的代码一看便知：
public class Test { private static final int COUNT=50000; public static void main(String[] args) {
String str=""; for(int i=0;i<COUNT;i++) {
str=new StringBuilder(str).append("abc").toString();
}
}复制代码可见，优化后的代码虽然也是用的StringBuilder，但是StringBuilder却是在循环中实例化的，这就意味着循环了50000次，创建了50000个StringBuilder对象，并且调用了50000次toString()方法。怪不得用了这么长时间！！！
String的concat方法的实现原理关于concat方法可以直接到String内部查看其源码，如下：
public String concat(String str) { int otherLen = str.length(); if (otherLen == 0) { return this;
} int len = value.length; char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
str.getChars(buf, len); return new String(buf, true);
}复制代码可以看到，在concat方法中使用Arrays的copyOf进行了一次数组拷贝，接下来又通过getChars方法再次进行了数组拷贝，最后通过new实例化了String对象并返回。这也意味着每调用一次concat都会生成一个String对象，但相比”+“操作符却省去了toString方法。因此，其性能要比”+“操作符好上不少。
至于StringBuilder其实也没必要再去分析了，毕竟”+“操作符也是基于StringBuilder实现的，只不过拼接过程中”+“操作符创建了大量的对象。而StringBuilder拼接时仅仅创建了一个StringBuilder对象。
四、总结
本篇文章我们深入分析了String字符串的内存分配、intern()方法，以及String类的结构及特性。关于这块知识，网上的文章鱼龙混杂，甚至众说纷纭。笔者也是参考了大量的文章并结合自己的理解来做的分析。但是，避免不了的可能会出现理解偏差的问题，如果有，希望大家多多讨论给予指正。 同时，文章中多次提到StringBuilder,但限于文章篇幅，没能给出关于其详细分析。不过不用担心，我会在下一篇文章中再做探讨。 不管怎样，相信大家看完这篇文章后一定 对String有了更加深入的认识，尤其是了解String类的一些裁剪及拼接中可能造成的性能问题，在今后的开发中应该尽量避免。
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