java基础(六)-----String性质深入解析

本文将讲解String的几个性质。

一、String的不可变性

　　对于初学者来说，很容易误认为String对象是可以改变的，特别是+链接时，对象似乎真的改变了。然而，String对象一经创建就不可以修改。接下来，我们一步步 分析String是怎么维护其不可改变的性质；

1. 手段一：final类 和 final的私有成员

我们先看一下String的部分源码：

 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
     /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
     private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
 }

  我们可以发现 String是一个final类，且3个成员都是私有的，这就意味着String是不能被继承的，这就防止出现：程序员通过继承重写String类的方法的手段来使得String类是“可变的”的情况。

  从源码发现，每个String对象维护着一个char数组 —— 私有成员value。数组value 是String的底层数组，用于存储字符串的内容，而且是 private final ，但是数组是引用类型，所以只能限制引用不改变而已，也就是说数组元素的值是可以改变的，而且String 有一个可以传入数组的构造方法，那么我们可不可以通过修改外部char数组元素的方式来“修改”String 的内容呢？

我们来做一个实验，如下：

 public static void main(String[] args) {
     char[] arr = new char[]{'a','b','c','d'};
     String str = new String(arr);
     arr[3]='e';
     System.out.println("str= "+str);
     System.out.println("arr[]= "+Arrays.toString(arr));
 }

运行结果

 str= abcd
 arr[]= [a, b, c, e]

结果与我们所想不一样。字符串str使用数组arr来构造一个对象，当数组arr修改其元素值后，字符串str并没有跟着改变。那就看一下这个构造方法是怎么处理的：

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

原来 String在使用外部char数组构造对象时，是重新复制了一份外部char数组，从而不会让外部char数组的改变影响到String对象。

2. 手段二：改变即创建对象的方法

　　从上面的分析我们知道，我们是无法从外部修改String对象的，那么可不可能使用String提供的方法，因为有不少方法看起来是可以改变String对象的，如replace()、replaceAll()、substring()等。我们以substring()为例，看一下源码：

 public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
     //........
     return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
             : new String(value, beginIndex, subLen);
 }

从源码可以看出，如果不是切割整个字符串的话，就会新建一个对象。也就是说，只要与原字符串不相等，就会新建一个String对象。

缓存Hashcode

　　Java中经常会用到字符串的哈希码（hashcode）。例如，在HashMap中，字符串的不可变能保证其hashcode永远保持一致，这样就可以避免一些不必要的麻烦。这也就意味着每次在使用一个字符串的hashcode的时候不用重新计算一次，这样更加高效。

在String类中，有以下代码：

 private int hash;//this is used to cache hash code.

以上代码中hash变量中就保存了一个String对象的hashcode，因为String类不可变，所以一旦对象被创建，该hash值也无法改变。所以，每次想要使用该对象的hashcode的时候，直接返回即可。

二、字符串拼接

其实，所有的所谓字符串拼接，都是重新生成了一个新的字符串。下面一段字符串拼接代码：

 String s = "abcd";
 s = s.concat("ef");

其实最后我们得到的s已经是一个新的字符串了。如下图

s中保存的是一个重新创建出来的String对象的引用.

那么，在Java中，到底如何进行字符串拼接呢？字符串拼接有很多种方式，这里简单介绍几种比较常用的

1、使用 + 拼接字符串

我们先来看一个例子：

 public class MyTest {
     public static void main(String[] args) {
         String s = "Love You";
         String s2 = "Love"+" You";
         String s3 = s2 + "";
         String s4 = new String("Love You");
         System.out.println("s == s2 "+(s==s2));
         System.out.println("s == s3 "+(s==s3));
         System.out.println("s == s4 "+(s==s4));
     }
 }

运行结果：

 s == s2  true
 s == s3  false
 s == s4  false

  是不是对运行结果感觉很不解。别急，我们来慢慢理清楚。首先，我们要知道编译器有个优点：在编译期间会尽可能地优化代码，所以能由编译器完成的计算，就不会等到运行时计算，如常量表达式的计算就是在编译期间完成的。所以，s2 的结果其实在编译期间就已经计算出来了，与 s 的值是一样，所以两者相等，即都属于字面常量，在类加载时创建并维护在字符串常量池中。但 s3 的表达式中含有变量 s2 ,只能是运行时才能执行计算，也就是说，在运行时才计算结果，在堆中创建对象，自然与 s 不相等。而 s4 使用new直接在堆中创建对象，更不可能相等。

  那在运行期间，是如何完成String的+号链接操作的呢，要知道String对象可是不可改变的对象。我们反编译上面例子的calss文件，来看看究竟是怎么实现的：

 public class MyTest
 {
     public MyTest()
     {
     }
     public static void main(String args[])
     {
         String s = "Love You";
         String s2 = "Love You";//已经得到计算结果
         String s3 = (new StringBuilder(String.valueOf(s2))).toString();
         String s4 = new String("Love You");
         System.out.println((new StringBuilder("s == s2 ")).append(s == s2).toString());
         System.out.println((new StringBuilder("s == s3 ")).append(s == s3).toString());
         System.out.println((new StringBuilder("s == s4 ")).append(s == s4).toString());
     }
 }

可以看出，编译器将 + 号处理成了StringBuilder.append()方法。也就是说，在运行期间，链接字符串的计算都是通过 创建StringBuilder对象，调用append()方法来完成的。

2、concat

除了使用+拼接字符串之外，还可以使用String类中的方法concat方法来拼接字符串。如：

 String wechat = "ChenHao";
 String introduce = "每日更新Java相关技术文章";
 String hollis = wechat.concat(",").concat(introduce);

我们再来看一下concat方法的源代码，看一下这个方法又是如何实现的。

 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);
 }

这段代码首先创建了一个字符数组，长度是已有字符串和待拼接字符串的长度之和，再把两个字符串的值复制到新的字符数组中，并使用这个字符数组创建一个新的String对象并返回。

通过源码我们也可以看到，经过concat方法，其实是new了一个新的String，这也就呼应到前面我们说的字符串的不变性问题上了。

三、StringBuffer和StringBuilder

接下来我们看看StringBuffer和StringBuilder的实现原理。和String类类似，StringBuilder类也封装了一个字符数组，定义如下：

 char[] value;

与String不同的是，它并不是final的，所以他是可以修改的。另外，与String不同，字符数组中不一定所有位置都已经被使用，它有一个实例变量，表示数组中已经使用的字符个数，定义如下：

 int count;

其append源码如下：

 public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
 }

该类继承了AbstractStringBuilder类，看下其append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;
 }

append会直接拷贝字符到内部的字符数组中，如果字符数组长度不够，会进行扩展。

StringBuffer和StringBuilder类似，最大的区别就是StringBuffer是线程安全的，看一下StringBuffer的append方法。

 public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
 }

该方法使用synchronized进行声明，说明是一个线程安全的方法。而StringBuilder则不是线程安全的。

效率比较

既然有这么多种字符串拼接的方法，那么到底哪一种效率最高呢？我们来简单对比一下。

 long t1 = System.currentTimeMillis();
 String str = "chenhao";
 //StringBuffer str = new StringBuffer("chenhao");
 for (int i = 0; i < 50000; i++) {
    String s = String.valueOf(i);
    str += s;
    //str=str.concat(s);
    //str.append(s);
 }
 long t2 = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("+ cost:" + (t2 - t1));

我们使用形如以上形式的代码，分别测试下五种字符串拼接代码的运行时间。得到结果如下：

 + cost:5119
 StringBuilder cost:3
 StringBuffer cost:4
 concat cost:3623

从结果可以看出，用时从短到长的对比是：

StringBuilder < StringBuffer < concat < + < StringUtils.join

StringBuffer在StringBuilder的基础上，做了同步处理，所以在耗时上会相对多一些，这个很好理解。

那么问题来了，前面我们分析过，其实使用+拼接字符串的实现原理也是使用的StringBuilder，那为什么结果相差这么多，高达1000多倍呢？

我们再把以下代码反编译下：

 long t1 = System.currentTimeMillis();
 String str = "chenhao";
 for (int i = 0; i < 50000; i++) {
    String s = String.valueOf(i);
    str += s;
 }
 long t2 = System.currentTimeMillis();
 System.out.println("+ cost:" + (t2 - t1));

反编译后代码如下：

 long t1 = System.currentTimeMillis();
 String str = "chenhao";
 for(int i = 0; i < 50000; i++)
 {
    String s = String.valueOf(i);
    str = (new StringBuilder()).append(str).append(s).toString();
 }

 long t2 = System.currentTimeMillis();
 System.out.println((new StringBuilder()).append("+ cost:").append(t2 - t1).toString());

我们可以看到，反编译后的代码，在for循环中，每次都是new了一个StringBuilder，然后再把String转成StringBuilder，再进行append。

而频繁的新建对象当然要耗费很多时间了，不仅仅会耗费时间，频繁的创建对象，还会造成内存资源的浪费。

所以：循环体内，字符串的连接方式，使用StringBuilder 的 append 方法进行扩展。而不要使用+。

总结

本文介绍了什么是字符串拼接，虽然字符串是不可变的，但是还是可以通过新建字符串的方式来进行字符串的拼接。

常用的字符串拼接方式有五种，分别是使用+、使用concat、使用StringBuilder、使用StringBuffer以及使用StringUtils.join。

由于字符串拼接过程中会创建新的对象，所以如果要在一个循环体中进行字符串拼接，就要考虑内存问题和效率问题。

因此，经过对比，我们发现，直接使用StringBuilder的方式是效率最高的。因为StringBuilder天生就是设计来定义可变字符串和字符串的变化操作的。

但是，还要强调的是：

1、如果不是在循环体中进行字符串拼接的话，直接使用+就好了。

2、如果在并发场景中进行字符串拼接的话，要使用StringBuffer来代替StringBuilder。