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Java String类的理解及字符串常量池介绍

2024-04-02 19:55

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一. String类简介

1. 介绍

字符串广泛应用在 Java 编程中，在 Java 中字符串属于对象，Java 提供了 String 类来创建和操作字符串。

Java的String类在lang包里，java.lang.String是java字符串类，包含了字符串的值和实现字符串相关操作的一些方法；java.lang包里面的类都不需要手动导入，是由程序自动导入。

String表示字符串类型，属于引用数据类型，内部并不存储字符串本身；Java 程序中的所有字符串字面值（如 “abc” ）都作为此类的实例实现。

在String类的实现源码中，String类实例变量如下：

public static void main(String[] args) {
        // s1和s2引用的是不同对象 s1和s3引用的是同一对象
        String s1 = new String("hello");
        String s2 = new String("world");
        String s3 = s1;
        System.out.println(s1.length()); 
        // 获取字符串长度---输出5
        System.out.println(s1.isEmpty()); 
        // 如果字符串长度为0，返回true，否则返回false
}

字符串存储在字符串常量池中，后文中给出具体的理解与分析。

2. 字符串构造

String类提供的构造方式非常多，常用的就以下三种：

public static void main(String[] args) {
        // 使用常量串构造
        String s1 = "hello bit";
        System.out.println(s1);
    
        // 直接newString对象
        String s2 = new String("hello bit");
        System.out.println(s1);
    
        // 使用字符数组进行构造
        char[] array = {'h','e','l','l','o','b','i','t'};
        String s3 = new String(array);
        System.out.println(s1);
    }

二. 字符串常量池(StringTable)

1. 思考？

通过下面的代码，分析和思考字符串对象的创建和字符串常量池。

public static void main(String[] args) {
        String s1 = "hello";
        String s2 = "hello";
        String s3 = new String("hello");
        String s4 = new String("hello");
        System.out.println(s1 == s2); // true
        System.out.println(s1 == s3); // false
        System.out.println(s3 == s4); // false
    }

执行及调试结果：

思考为什么执行结果中，创建的字符串的地址是一样的，使用new String的时候比较两个对象的地址却不一样，直接使用字符串常量(“ ”)进行赋值的两个对象比较是相同的；

为什么s1和s2引用的是同一个对象，而s3和s4不是呢？

2. 介绍和分析

在Java程序中，类似于：1， 2， 3，3.14，“hello”等字面类型的常量经常频繁使用，为了使程序的运行速度更快、更节省内存，Java为8种基本数据类型和String类都提供了常量池。

为了节省存储空间以及程序的运行效率，Java中引入了：

Class文件常量池：每个.Java源文件编译后生成.Class文件中会保存当前类中的字面常量以及符号信息
运行时常量池：在.Class文件被加载时，.Class文件中的常量池被加载到内存中称为运行时常量池，运行时常量池每个类都有一份
字符串常量池(StringTable) ：字符串常量池在JVM中是StringTable类，实际是一个固定大小的HashTable(一种高效用来进行查找的数据结构)，不同JDK版本下字符串常量池的位置以及默认大小是不同的：

JDK版本	字符串常量池位置	大小设置
Java6	(方法区)永久代	固定大小：1009
Java7	堆中	可设置，没有大小限制，默认大小：60013
Java8	堆中	可设置，有范围限制，最小是1009

对1中的代码进行分析:

直接使用字符串常量进行赋值

public static void main(String[] args) {
        String s1 = "hello";
        String s2 = "hello";
        System.out.println(s1 == s2); // true
}

当字节码文件加载时，字符常量串“hello”已经创建好了，并保存在字符串常量池中，

当直接使用常量串赋值的时候（ String s1 = “hello”;）会优先从字符串常量池找，找到了就将该字符串引用赋值给要赋值的对象（s1和s2）;

所以s1和s2内放的都是字符串常量池中“hello”字符串所创建对象的引用，是相同的。

通过new创建String类对象

使用new来创建String对象，每次new都会新创建一个对象，每个对象的地址都是唯一的，所以s3和s4的引用是不相同的。

使用常量串创建String类型对象的效率更高，而且更节省空间。用户也可以将创建的字符串对象通过 intern 方式添加进字符串常量池中。

3. intern方法

intern 是一个native方法(Native方法指：底层使用C++实现的，看不到其实现的源代码);

该方法的作用是手动将创建的String对象添加到常量池中。

public static void main(String[] args) {
        char[] ch = new char[]{'a', 'b', 'c'};
        String s1 = new String(ch); // s1对象并不在常量池中
        //s1.intern(); 
        //intern调用之后，会将s1对象的引用放入到常量池中
        String s2 = "abc"; // "abc" 在常量池中存在了，s2创建时直接用常量池中"abc"的引用
        System.out.println(s1 == s2);

}

// 输出false
// 将上述方法打开之后，就会输出true

三. 面试题：String类中两种对象实例化的区别

JDK1.8中

String str = “hello”；只会开辟一块堆内存空间，保存在字符串常量池中，然后str共享常量池中的
String对象String str = new String(“hello”)；会开辟两块堆内存空间，字符串"hello"保存在字符串常量池中，然后用常量池中的String对象给新开辟的String对象赋值。
String str = new String(new char[]{‘h’, ‘e’, ‘l’, ‘l’, ‘o’})先在堆上创建一个String对象，然后利用copyof将重新开辟数组空间，将参数字符串数组中内容拷贝到String对象中

四. 字符串的不可变性

String是一种不可变对象. 字符串中的内容是不可改变。字符串不可被修改，是因为：

String类在设计时就是不可改变的，String类实现描述中已经说明了

String类中的字符实际保存在内部维护的value字符数组中，该图还可以看出：

String类被final修饰，表明该类不能被继承
value被修饰被final修饰，表明value自身的值不能改变，即不能引用其它字符数组，但是其引用空间中的内容可以修改。
字符串真正不能被修改的原因是，存储字符串的value是被private修饰的，只能在String类中使用，但String中并没有提供访问value的公开方法

网上有些人说：字符串不可变是因为其内部保存字符的数组被final修饰了，因此不能改变；这种说法是错误的，不是因为String类自身，或者其内部value被final修饰而不能被修改； final修饰类表明该类不想被继承，final修饰引用类型表明该引用变量不能引用其他对象，但是其引用对象中的内容是可以修改的。

所有涉及到可能修改字符串内容的操作都是创建一个新对象，改变的是新对象

比如 replace 方法：

注意：

尽量避免直接对String类型对象进行修改，因为String类是不能修改的，所有的修改都会创建新对象，效率非常低下。

public static void main(String[] args) {
        String str = "";
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            str += i;
        }
        System.out.println(str);
}

执行结果：

这种方式不推荐使用，因为其效率非常低，中间创建了好多临时对象。

下图是上面代码的汇编，可以看到每一次循环都需要重新创建一个StringBuuilder对象，效率非常低。

创建一个StringBuild的对象，假设为temp
将str对象append(追加)temp之后
将"world"字符串append(追加)在temp之后
.temp调用其toString方法构造一个新的String对象

将新String对象的引用赋直给str

将上述汇编过程转化为类似代码如下：

public static void main(String[] args) {
        String str = "";
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
            stringBuilder.append(str);
            stringBuilder.append(i);
            str = stringBuilder.toString();
        }
        System.out.println(str);
}

这里可以将上述代码优化一下进行对比，只创建一次StringBuilder即可：

public static void main8(String[] args) {
        String str = "";
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        stringBuilder.append(str);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            stringBuilder.append(i);
        }
        System.out.println(stringBuilder);
}

通过下面的代码对比String和StringBuildder、StringBuffer效率上的差异：

ublic static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        String s = "";
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
            s += i;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    
        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuffer sbf = new StringBuffer("");
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
            sbf.append(i);
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    
        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder sbd = new StringBuilder();
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
            sbd.append(i);
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
}

执行结果：