Java核心类——1.字符串和编码

目录

• Java字符串与编码
  • String类的特性
    • 字符串的不可变性
    • 字符串常量池
  • 字符串常用操作
    • 格式化字符串
  • 字符串与其他类型的转换
    • 基本类型与字符串互转
  • 字符编码详解
    • 常见编码方式
    • Java中的编码处理
    • String的内存优化
  • 总结

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Java字符串与编码

String类的特性

字符串的不可变性

String类最显著的特性是不可变性——一旦创建，字符串的内容就无法修改。这种设计源于String内部使用private final char[]（或较新JDK中的byte[]）存储字符，且没有提供修改这些数组的方法。

public class StringImmutability {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "hello";
        String t = s.toUpperCase(); // toUpperCase()返回新字符串
        System.out.println(s); // 输出"hello"（原字符串未变）
        System.out.println(t); // 输出"HELLO"（新字符串）
    }
}

不可变性带来的好处：

• 线程安全：多个线程可以安全地共享字符串对象
• 可以缓存哈希值：String的hashCode()结果会被缓存，提高哈希表性能
• 字符串常量池优化：相同内容的字符串可以共享内存

字符串常量池

Java会维护一个字符串常量池（String Constant Pool），用于存储编译期确定的字符串字面量：

1. 当 JVM 遇到 "hello" 字面量时，会检查字符串常量池
2. 如果不存在相同内容的字符串，则在常量池中创建；如果存在则直接使用

所以 s1 和 s2 都指向常量池中的同一个对象：

public class StringPool {
    public static void main(String[] args) {
        String s1 = "hello";
        String s2 = "hello";
        String s3 = new String("hello");

        System.out.println(s1 == s2); // true（指向常量池同一对象）
        System.out.println(s1 == s3); // false（s3是新创建的对象）
        System.out.println(s1.equals(s3)); // true（内容相同）
    }
}

使用 new 关键字会强制创建一个新的 String 对象，而不是从字符串常量池中获取引用。new String("hello") 会：

1. 首先在堆内存中创建一个新的 String 对象
2. 这个新对象的内容指向常量池中的 "hello"
3. 但 s3 变量存储的是这个新创建对象的引用（指向堆中新创建的对象）

字符串常量池:

┌─────────────┐

│ "hello" │ ← s1 和 s2 指向这里

└─────────────┘

堆内存:

┌─────────────┐

│ new String │ ← s3 指向这里

│ (内容指向 │

│ 常量池hello)│

└─────────────┘

字符串常用操作

方法	说明	示例
+ 运算符	字符串拼接	"Hello" + " World"
concat(String str)	拼接指定字符串	"Hello".concat(" Java")
join(CharSequence delimiter, CharSequence... elements)	以分隔符拼接多个字符串	String.join("-", "a", "b", "c")
substring(int beginIndex)	从指定索引截取到末尾	"abcdef".substring(2)
substring(int beginIndex, int endIndex)	截取指定范围（左闭右开）	"abcdef".substring(1,4)
trim()	去除首尾空白字符	" test ".trim()
strip()（Java 11+）	去除首尾空白（支持Unicode）	" a b ".strip()
replace(char oldChar, char newChar)	替换所有指定字符	"hello".replace('l', 'x')
replace(CharSequence target, CharSequence replacement)	替换所有指定子串	"hello world".replace("world", "java")
replaceAll(String regex, String replacement)	正则替换	"a1b2c3".replaceAll("\\d", "")
toUpperCase()	转换为大写	"hello".toUpperCase()
toLowerCase()	转换为小写	"HELLO".toLowerCase()
length()	获取字符串长度	"hello".length()
contains(CharSequence s)	判断是否包含指定子串	"hello".contains("ell")
charAt(int index)	获取指定索引的字符	"hello".charAt(1)
indexOf(String str)	查找子串首次出现位置	"hello".indexOf("l")
lastIndexOf(String str)	查找子串最后出现位置	"hello".lastIndexOf("l")
startsWith(String prefix)	判断是否以指定前缀开头	"hello".startsWith("he")
endsWith(String suffix)	判断是否以指定后缀结尾	"hello".endsWith("lo")
equals(Object anObject)	比较内容（区分大小写）	"Hello".equals("hello")
equalsIgnoreCase(String anotherString)	比较内容（忽略大小写）	"Hello".equalsIgnoreCase("hello")
split(String regex)	按正则分割为字符串数组	"a,b,c".split(",")
isEmpty()	判断是否为空字符串	""
isBlank()（Java 11+）	判断是否为空或仅含空白	" ".isBlank()

格式化字符串

String.format()方法用于创建格式化字符串，支持多种占位符：

public class StringFormat {
    public static void main(String[] args) {
        String name = "Alice";
        int age = 30;
        double salary = 50000.5;

        // 格式化字符串
        String formatted = String.format(
            "Name: %s, Age: %d, Salary: %.2f",
            name, age, salary
        );

        System.out.println(formatted);
        // 输出：Name: Alice, Age: 30, Salary: 50000.50
    }
}

常用占位符：

• %s：字符串
• %d：整数
• %f：浮点数
• %x：十六进制整数
• %t：日期时间

字符串与其他类型的转换

基本类型与字符串互转

public class StringConversion {
    public static void main(String[] args) {
        // 基本类型转字符串
        String s1 = String.valueOf(123); // "123"
        String s2 = String.valueOf(3.14); // "3.14"
        String s3 = String.valueOf(true); // "true"

        // 字符串转基本类型
        int n = Integer.parseInt("123"); // 123
        double d = Double.parseDouble("3.14"); // 3.14
        boolean b = Boolean.parseBoolean("true"); // true

        // 字符串转字符数组
        char[] chars = "hello".toCharArray(); // ['h','e','l','l','o']

        // 字符数组转字符串
        String s4 = new String(chars); // "hello"
    }
}

注意事项:

• 字符串转基本类型时，若格式不匹配会抛出NumberFormatException
• 使用new String(char[])时，会复制字符数组，后续修改原数组不影响字符串

字符编码详解

常见编码方式

1. ASCII：单字节编码，仅包含英文字母、数字和常用符号（0-127）
2. GB2312/GBK：中文编码标准，GB2312包含6763个汉字，GBK扩展了更多字符
3. Unicode：全球统一编码标准，包含所有语言字符，每个字符占2-4字节
4. UTF-8：Unicode的变长编码，英文字符占1字节，中文通常占3字节

Java中的编码处理

Java的String和char在内存中始终使用Unicode编码，当需要IO操作或网络传输时，需转换为指定编码的字节数组：

import java.nio.charset.StandardCharsets;

public class StringEncoding {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        String s = "中文字符";

        // 字符串转字节数组（指定编码）
        byte[] utf8Bytes = s.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        byte[] gbkBytes = s.getBytes("GBK"); // 需要处理异常

        // 字节数组转字符串（指定编码）
        String utf8Str = new String(utf8Bytes, StandardCharsets.UTF_8);
        String gbkStr = new String(gbkBytes, "GBK");
    }
}

String的内存优化

较新的JDK版本（如JDK 9+）对String的内部实现进行了优化：

• 对于仅包含ASCII字符的字符串，使用byte[]存储（每个字符1字节）
• 对于包含非ASCII字符的字符串，使用byte[]存储UTF-16编码（每个字符2字节）

这种优化减少了纯ASCII字符串的内存占用，提高了系统性能，但对开发者透明，不影响String的使用方式。

总结

• 理解字符串的特性和字符串常量池的规则
• 掌握字符串的常用操作
• Java使用Unicode编码表示String和char
• 转换编码就是将String和byte[]转换，需要指定编码。转换为byte[]时，始终优先考虑UTF-8编码