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【Java基本功】一文读懂String及其包装类的实现原理

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String作为Java中最常用的引用类型,相对来说基本上都比较熟悉,无论在平时的编码过程中还是在笔试面试中,String都很受到青睐,然而,在使用String过程中,又有较多需要注意的细节之处。

String的连接
<pre code-lang=””>@Testpublic void contact () { //1连接方式 String s1 = “a”; String s2 = “a”; String s3 = “a” + s2; String s4 = “a” + “a”; String s5 = s1 + s2; //表达式只有常量时,编译期完成计算 //表达式有变量时,运行期才计算,所以地址不一样 System.out.println(s3 == s4); //f System.out.println(s3 == s5); //f System.out.println(s4 == “aa”); //t
}</pre>

String类型的intern
<pre code-lang=””>public void intern () { //2:string的intern使用 //s1是基本类型,比较值。s2是string实例,比较实例地址 //字符串类型用equals方法比较时只会比较值 String s1 = “a”; String s2 = new String(“a”); //调用intern时,如果s2中的字符不在常量池,则加入常量池并返回常量的引用 String s3 = s2.intern(); System.out.println(s1 == s2); System.out.println(s1 == s3);}</pre>

String类型的equals
<pre code-lang=””>//字符串的equals方法// public boolean equals(Object anObject) {// if (this == anObject) {// return true;// }// if (anObject instanceof String) {// String anotherString = (String)anObject;// int n = value.length;// if (n == anotherString.value.length) {// char v1[] = value;// char v2[] = anotherString.value;// int i = 0;// while (n– != 0) {// if (v1[i] != v2[i])// return false;// i++;// }// return true;// }// }// return false;// }</pre>

StringBuffer和Stringbuilder
底层是继承父类的可变字符数组value

<pre code-lang=””>/* The value is used for character storage. */char[] value;初始化容量为16
/* Constructs a string builder with no characters in it and an initial capacity of 16 characters. /public StringBuilder() { super(16);}这两个类的append方法都是来自父类AbstractStringBuilder的方法
public AbstractStringBuilder append(String str) { if (str == null) return appendNull(); int len = str.length(); ensureCapacityInternal(count + len); str.getChars(0, len, value, count); count += len; return this;}@Overridepublic StringBuilder append(String str) { super.append(str); return this;}
@Overridepublic synchronized StringBuffer append(String str) { toStringCache = null; super.append(str); return this;}</pre>

append
<pre code-lang=””>Stringbuffer在大部分涉及字符串修改的操作上加了synchronized关键字来保证线程安全,效率较低。
String类型在使用 + 运算符例如
String a = “a”
a = a + a;时,实际上先把a封装成stringbuilder,调用append方法后再用tostring返回,所以当大量使用字符串加法时,会大量地生成stringbuilder实例,这是十分浪费的,这种时候应该用stringbuilder来代替string。</pre>

扩容
<pre code-lang=””>#注意在append方法中调用到了一个函数
ensureCapacityInternal(count + len);该方法是计算append之后的空间是否足够,不足的话需要进行扩容
public void ensureCapacity(int minimumCapacity) { if (minimumCapacity > 0) ensureCapacityInternal(minimumCapacity);}private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) { // overflow-conscious code if (minimumCapacity – value.length > 0) { value = Arrays.copyOf(value, newCapacity(minimumCapacity)); }}如果新字符串长度大于value数组长度则进行扩容
扩容后的长度一般为原来的两倍 + 2;
假如扩容后的长度超过了jvm支持的最大数组长度MAX_ARRAY_SIZE。
考虑两种情况
如果新的字符串长度超过int最大值,则抛出异常,否则直接使用数组最大长度作为新数组的长度。
private int hugeCapacity(int minCapacity) { if (Integer.MAX_VALUE – minCapacity < 0) { // overflow throw new OutOfMemoryError(); } return (minCapacity > MAX_ARRAY_SIZE) ? minCapacity : MAX_ARRAY_SIZE;}</pre>

删除
<pre code-lang=””>这两个类型的删除操作:
都是调用父类的delete方法进行删除
public AbstractStringBuilder delete(int start, int end) { if (start < 0) throw new StringIndexOutOfBoundsException(start); if (end > count) end = count; if (start > end) throw new StringIndexOutOfBoundsException(); int len = end – start; if (len > 0) { System.arraycopy(value, start+len, value, start, count-end); count -= len; } return this;}事实上是将剩余的字符重新拷贝到字符数组value。</pre>

这里用到了system.arraycopy来拷贝数组,速度是比较快的

system.arraycopy方法
<pre code-lang=””>转自知乎:
在主流高性能的JVM上(HotSpot VM系、IBM J9 VM系、JRockit系等等),可以认为System.arraycopy()在拷贝数组时是可靠高效的——如果发现不够高效的情况,请报告performance bug,肯定很快就会得到改进。
java.lang.System.arraycopy()方法在Java代码里声明为一个native方法。所以最naïve的实现方式就是通过JNI调用JVM里的native代码来实现。</pre>

String的不可变性
关于String的不可变性,这里转一个不错的回答

什么是不可变?
String不可变很简单,如下图,给一个已有字符串”abcd”第二次赋值成”abcedl”,不是在原内存地址上修改数据,而是重新指向一个新对象,新地址。
String为什么不可变?
翻开JDK源码,java.lang.String类起手前三行,是这样写的:

<pre code-lang=””>public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence { /* String本质是个char数组. 而且用final关键字修饰./ private final char value[]; … … } </pre>

首先String类是用final关键字修饰,这说明String不可继承。再看下面,String类的主力成员字段value是个char[]数组,而且是用final修饰的。

final修饰的字段创建以后就不可改变。 有的人以为故事就这样完了,其实没有。因为虽然value是不可变,也只是value这个引用地址不可变。挡不住Array数组是可变的事实。

Array的数据结构看下图。
也就是说Array变量只是stack上的一个引用,数组的本体结构在heap堆。

String类里的value用final修饰,只是说stack里的这个叫value的引用地址不可变。没有说堆里array本身数据不可变。看下面这个例子,

<pre code-lang=””>final int[] value={1,2,3} ;int[] another={4,5,6}; value=another; //编译器报错,final不可变 value用final修饰,编译器不允许我把value指向堆区另一个地址。但如果我直接对数组元素动手,分分钟搞定。
final int[] value={1,2,3}; value[2]=100; //这时候数组里已经是{1,2,100} 所以String是不可变,关键是因为SUN公司的工程师。 在后面所有String的方法里很小心的没有去动Array里的元素,没有暴露内部成员字段。
private final char value[]这一句里,private的私有访问权限的作用都比final大。而且设计师还很小心地把整个String设成final禁止继承,避免被其他人继承后破坏。所以String是不可变的关键都在底层的实现,而不是一个final。考验的是工程师构造数据类型,封装数据的功力。 </pre>

不可变有什么好处?
这个最简单地原因,就是为了安全。看下面这个场景(有评论反应例子不够清楚,现在完整地写出来),一个函数appendStr( )在不可变的String参数后面加上一段“bbb”后返回。appendSb( )负责在可变的StringBuilder后面加“bbb”。

总结以下String的不可变性。

1 首先final修饰的类只保证不能被继承,并且该类的对象在堆内存中的地址不会被改变。
2 但是持有String对象的引用本身是可以改变的,比如他可以指向其他的对象。

3 final修饰的char数组保证了char数组的引用不可变。但是可以通过char[0] = ‘a’来修改值。不过String内部并不提供方法来完成这一操作,所以String的不可变也是基于代码封装和访问控制的。

举个例子

<pre code-lang=””>final class Fi { int a; final int b = 0; Integer s;
}final char[]a = {‘a’};final int[]b = {1};@Testpublic void final修饰类() { //引用没有被final修饰,所以是可变的。 //final只修饰了Fi类型,即Fi实例化的对象在堆中内存地址是不可变的。 //虽然内存地址不可变,但是可以对内部的数据做改变。 Fi f = new Fi(); f.a = 1; System.out.println(f); f.a = 2; System.out.println(f); //改变实例中的值并不改变内存地址。

Fi ff = f; //让引用指向新的Fi对象,原来的f对象由新的引用ff持有。 //引用的指向改变也不会改变原来对象的地址 f = new Fi(); System.out.println(f); System.out.println(ff);}这里的对f.a的修改可以理解为char[0] = ‘a’这样的操作。只改变数据值,不改变内存值。</pre>
要理解String里的intern方法,就要注意基本数据类型的拆箱装箱,以及对常量池的理解。

常量池和自动拆箱装箱

<pre code-lang=””>自动拆箱和装箱的原理其实与常量池有关。3.1存在栈中:public void(int a){int i = 1;int j = 1;}方法中的i 存在虚拟机栈的局部变量表里,i是一个引用,j也是一个引用,它们都指向局部变量表里的整型值 1.int a是传值引用,所以a也会存在局部变量表。

3.2存在堆里:class A{int i = 1;A a = new A();}i是类的成员变量。类实例化的对象存在堆中,所以成员变量也存在堆中,引用a存的是对象的地址,引用i存的是值,这个值1也会存在堆中。可以理解为引用i指向了这个值1。也可以理解为i就是1.

3.3包装类对象怎么存其实我们说的常量池也可以叫对象池。比如String a= new String(“a”).intern()时会先在常量池找是否有“a”对象如果有的话直接返回“a”对象在常量池的地址,即让引用a指向常量”a”对象的内存地址。public native String intern();Integer也是同理。</pre>

下图是Integer类型在常量池中查找同值对象的方法。

<pre code-lang=””>public static Integer valueOf(int i) { if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high) return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)]; return new Integer(i);}private static class IntegerCache { static final int low = -128; static final int high; static final Integer cache[];

static { // high value may be configured by property int h = 127; String integerCacheHighPropValue = sun.misc.VM.getSavedProperty(“java.lang.Integer.IntegerCache.high”); if (integerCacheHighPropValue != null) { try { int i = parseInt(integerCacheHighPropValue); i = Math.max(i, 127); // Maximum array size is Integer.MAX_VALUE h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE – (-low) -1); } catch( NumberFormatException nfe) { // If the property cannot be parsed into an int, ignore it. } } high = h;
cache = new Integer[(high – low) + 1]; int j = low; for(int k = 0; k < cache.length; k++) cache[k] = new Integer(j++);
// range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7) assert IntegerCache.high >= 127; }
private IntegerCache() {}}</pre>
所以基本数据类型的包装类型可以在常量池查找对应值的对象,找不到就会自动在常量池创建该值的对象。

而String类型可以通过intern来完成这个操作。

JDK1.7后,常量池被放入到堆空间中,这导致intern()函数的功能不同,具体怎么个不同法,且看看下面代码,这个例子是网上流传较广的一个例子,分析图也是直接粘贴过来的,这里我会用自己的理解去解释这个例子:

<pre code-lang=””>[java] view plain copyString s = new String(“1”); s.intern(); String s2 = “1”; System.out.println(s == s2);
String s3 = new String(“1”) + new String(“1”); s3.intern(); String s4 = “11”; System.out.println(s3 == s4); 输出结果为:
[java] view plain copyJDK1.6以及以下:false false JDK1.7以及以上:false true</pre>

 
JDK1.6查找到常量池存在相同值的对象时会直接返回该对象的地址。

JDK 1.7后,intern方法还是会先去查询常量池中是否有已经存在,如果存在,则返回常量池中的引用,这一点与之前没有区别,区别在于,如果在常量池找不到对应的字符串,则不会再将字符串拷贝到常量池,而只是在常量池中生成一个对原字符串的引用。

那么其他字符串在常量池找值时就会返回另一个堆中对象的地址。

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