Java中的String为什么是不可变的

什么是不可变对象？

众所周知，在Java中， String类是不可变的。那么到底什么是不可变的对象呢？可以这样认为：如果一个对象，在它创建完成之后，不能再改变它的状态，那么这个对象就是不可变的。不能改变状态的意思是，不能改变对象内的成员变量，包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能指向其他的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变。

jdk1.6

public final class String

    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence

{

    /** The value is used for character storage. */

    private final char value[];

    /** The offset is the first index of the storage that is used. */

    private final int offset;

    /** The count is the number of characters in the String. */

    private final int count;

    /** Cache the hash code for the string */

    private int hash; // Default to 0

jdk1.7

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

由以上的代码可以看出，在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的所有字符都是属于String这个对象的。这个改变不影响本文的讨论。除此之外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，这个成员变量也和本文的讨论无关。在Java中，数组也是对象（可以参考我之前的文章java中数组的特性）。所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的：

value，offset和count这三个变量都是private的，并且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改，并且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的，也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了，也不能被改变。所以可以认为String对象是不可变的了。

    public String replace(char oldChar, char newChar) {

        if (oldChar != newChar) {

            int len = value.length;

            int i = -1;

            char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

            while (++i < len) {

                if (val[i] == oldChar) {

                    break;

                }

            }

            if (i < len) {

                char buf[] = new char[len];

                for (int j = 0; j < i; j++) {

                    buf[j] = val[j];

                }

                while (i < len) {

                    char c = val[i];

                    buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;

                    i++;

                }

                return new String(buf, true);

            }

        }

        return this;

    }

我们之所以会看到string对象的值发生改变，是因为最终都返回一个new的对象。

String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。
那么用什么方式可以访问私有成员呢？没错，用反射，可以反射出String对象中的value属性，进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。下面是实例代码：

    public static void testReflection() throws Exception {

        //创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s

        String s = "Hello World"; 

        System.out.println("s = " + s);    //Hello World

        //获取String类中的value字段

        Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");

        //改变value属性的访问权限

        valueFieldOfString.setAccessible(true);

        //获取s对象上的value属性的值

        char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);

        //改变value所引用的数组中的第5个字符

        value[5] = '_';

        System.out.println("s = " + s);  //Hello_World

    }

打印结果为：
s = Hello World
s = Hello_World

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化，也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变，那么就不能很好的保证Car对象不可变。

为什么String要设计成不可变的?

这是一个老生常谈的话题(This is an old yet still popular question). 在Java中将String设计成不可变的是综合考虑到各种因素的结果,想要理解这个问题,需要综合内存,同步,数据结构以及安全等方面的考虑. 在下文中,我将为各种原因做一个小结。

1. 字符串常量池的需要

字符串常量池(String pool, String intern pool, String保留池) 是Java堆内存中一个特殊的存储区域, 当创建一个String对象时,假如此字符串值已经存在于常量池中,则不会创建一个新的对象,而是引用已经存在的对象。

如下面的代码所示,将会在堆内存中只创建一个实际String对象.

String s1 = "abcd";

String s2 = "abcd";

示意图如下所示:

图1

假若字符串对象允许改变,那么将会导致各种逻辑错误,比如改变一个对象会影响到另一个独立对象. 严格来说，这种常量池的思想,是一种优化手段.

请思考: 假若代码如下所示，s1和s2还会指向同一个实际的String对象吗?

String s1= "ab" + "cd";

String s2= "abc" + "d";

也许这个问题违反新手的直觉, 但是考虑到现代编译器会进行常规的优化, 所以他们都会指向常量池中的同一个对象. 或者,你可以用 jd-gui 之类的工具查看一下编译后的class文件.

2. 允许String对象缓存HashCode
Java中String对象的哈希码被频繁地使用, 比如在hashMap 等容器中。

字符串不变性保证了hash码的唯一性,因此可以放心地进行缓存.这也是一种性能优化手段,意味着不必每次都去计算新的哈希码. 在String类的定义中有如下代码:

private int hash;//用来缓存HashCode

3. 安全性

String被许多的Java类(库)用来当做参数,例如网络连接地址URL,文件路径path,还有反射机制所需要的String参数等, 假若String不是固定不变的,将会引起各种安全隐患。

假如有如下的代码:

boolean connect(string s){

    if (!isSecure(s)) {

throw new SecurityException();

}

    // 如果在其他地方可以修改String,那么此处就会引起各种预料不到的问题/错误

    causeProblem(s);

}

不可变对象天生就是线程安全的

因为不可变对象不能被改变，所以他们可以自由地在多个线程之间共享。不需要任何同步处理。

总之，String被设计成不可变的主要目的是为了安全和高效。所以，使String是一个不可变类是一个很好的设计。

总体来说, String不可变的原因包括设计考虑,效率优化问题,以及安全性这三大方面. 事实上,这也是Java面试中的许多 "为什么" 的答案。
相关文章 :

巴特西

（转）Java中的String为什么是不可变的？ -- String源码分析

Java中的String为什么是不可变的

什么是不可变对象？

String对象真的不可变吗？

为什么String要设计成不可变的?

不可变对象天生就是线程安全的

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