为什么说 String 有不可变性?这种设计有什么好处?

一、String 的不可变性

String 是 final 类型,final 类不能被继承。

String 是不可变的,当修改已有字符串的值的时候,(如将 str = "abc" 修改为 “abcdef”),不是在原内存地址上修改数据,而是将原引用重新指向新对象、新地址。为什么不可变呢?

在 JDK 1.8 的源码中,java.lang.String 类的起头几行为:

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
    ...
    ...
}

String 本质是个 char 数组,用成员变量 value[] 存储。成员变量 value[] 用 final 关键字修饰,表示该字段创建后引用地址不可变;访问权限为 private,表示外部无法访问,成员变量 hash 也是如此。而且 String 没有对外提供可以修改这两个私有属性的方法。

String 类本身声明为 final,不可被继承,即无法通过扩展来绕过限制。

另外一点就是,构造对象时,成员变量使用 深拷贝 来初始化,而不是直接复制,以防止输入对象被修改。例如,当传入可变数组 value[] 进行初始化时:

public String(char value[]) {
    this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}

二、这样设计的原因及好处:

其实好处就是原因,String 设计出不可变,主要是从性能和安全两方面考虑。

1. 字符串常量池

Java 中的字符串常量池(String pool)的存在就是为了性能优化。

字符串常量池是 Java 堆内存中一个特殊的存储区域。当创建一个 String 对象时,首先会去字符串常量池中查找,如果找到,直接返回该字符串的引用,不会创建新的对象。这样做能够减少 JVM 的内存开销,提高性能。如以下代码:

String str1 = "abc";
String str2 = "abc";

此时引用 str1 和 str2 指向常量池中的同一个对象 “abc”,如下图所示:

stringpoolexample.png

如果 String 是可变类,那么引用 str1 对 String 对象的修改,会直接导致引用 str2 获取错误的值。所以,如果字符串是可变的,那么字符串常量池就没有存在的意义了。

2. 缓存 HashCode

Java 中经常会用到字符串的哈希码(hashCode)。在 String 类中,有以下代码:

/** Cache the hash code for the string */
private int hash; 

可见,成员变量 hash 中保存了一个 String 对象的 hashCode。因为 String 类不可变,所以一旦对象被创建,该 hash 值便被缓存起来,无法改变了。以后每次使用该对象的 hashCode 的时候,无需重新计算,直接返回即可。这使得字符串很适合作为 HashMap 中的 key,效率大大提高。

3. 多线程安全

多线程中,可变类型的值很可能在其它线程中被改变,造成不可预期的后果。而不可变的 String 可以自由在多个线程之间共享,不需要做任何同步处理。

所有,String 类的不可变性是一个精良的设计。


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