Java中的String爲何是不可變的？ -- String源碼分析

什麼是不可變對象？

    衆所周知， 在Java中， String類是不可變的。那麼到底什麼是不可變的對象呢？ 能夠這樣認爲：若是一個對象，在它建立完成以後，不能再改變它的狀態，那麼這個對象就是不可變的。不能改變狀態的意思是，不能改變對象內的成員變量，包括基本數據類型的值不能改變，引用類型的變量不能指向其餘的對象，引用類型指向的對象的狀態也不能改變。

區分對象和對象的引用

對於Java初學者， 對於String是不可變對象老是存有疑惑。看下面代碼：

String s = "ABCabc";  
System.out.println("s = " + s);  
  
s = "123456";  
System.out.println("s = " + s);

打印結果爲：

s = ABCabc
s = 123456

首先建立一個String對象s，而後讓s的值爲「ABCabc」， 而後又讓s的值爲「123456」。 從打印結果能夠看出，s的值確實改變了。那麼怎麼還說String對象是不可變的呢？ 其實這裏存在一個誤區： s只是一個String對象的引用，並非對象自己。對象在內存中是一塊內存區，成員變量越多，這塊內存區佔的空間越大。引用只是一個4字節的數據，裏面存放了它所指向的對象的地址，經過這個地址能夠訪問對象。

也就是說，s只是一個引用，它指向了一個具體的對象，當s=「123456」; 這句代碼執行過以後，又建立了一個新的對象「123456」， 而引用s從新指向了這個新的對象，原來的對象「ABCabc」還在內存中存在，並無改變。內存結構以下圖所示：

    Java和C++的一個不一樣點是， 在Java中不可能直接操做對象自己，全部的對象都由一個引用指向，必須經過這個引用才能訪問對象自己，包括獲取成員變量的值，改變對象的成員變量，調用對象的方法等。而在C++中存在引用，對象和指針三個東西，這三個東西均可以訪問對象。其實，Java中的引用和C++中的指針在概念上是類似的，他們都是存放的對象在內存中的地址值，只是在Java中，引用喪失了部分靈活性，好比Java中的引用不能像C++中的指針那樣進行加減運算。

爲何String對象是不可變的？

要理解String的不可變性，首先看一下String類中都有哪些成員變量。 在JDK1.6中，String的成員變量有如下幾個：

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

在JDK1.7中，String類作了一些改動，主要是改變了substring方法執行時的行爲，這和本文的主題不相關。JDK1.7中String類的主要成員變量就剩下了兩個：

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

由以上的代碼能夠看出， 在Java中String類其實就是對字符數組的封裝。JDK6中， value是String封裝的數組，offset是String在這個value數組中的起始位置，count是String所佔的字符的個數。在JDK7中，只有一個value變量，也就是value中的全部字符都是屬於String這個對象的。這個改變不影響本文的討論。 除此以外還有一個hash成員變量，是該String對象的哈希值的緩存，這個成員變量也和本文的討論無關。在Java中，數組也是對象（能夠參考我以前的文章java中數組的特性）。 因此value也只是一個引用，它指向一個真正的數組對象。其實執行了String s = 「ABCabc」; 這句代碼以後，真正的內存佈局應該是這樣的：

value，offset和count這三個變量都是private的，而且沒有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法來修改這些值，因此在String類的外部沒法修改String。也就是說一旦初始化就不能修改， 而且在String類的外部不能訪問這三個成員。此外，value，offset和count這三個變量都是final的， 也就是說在String類內部，一旦這三個值初始化了， 也不能被改變。因此能夠認爲String對象是不可變的了。

那麼在String中，明明存在一些方法，調用他們能夠獲得改變後的值。這些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如以下代碼：

String a = "ABCabc";  
System.out.println("a = " + a);  
a = a.replace('A', 'a');  
System.out.println("a = " + a);

打印結果爲：

a = ABCabc
a = aBCabc

那麼a的值看似改變了，其實也是一樣的誤區。再次說明， a只是一個引用， 不是真正的字符串對象，在調用a.replace('A', 'a')時， 方法內部建立了一個新的String對象，並把這個新的對象從新賦給了引用a。String中replace方法的源碼能夠說明問題：

讀者能夠本身查看其餘方法，都是在方法內部從新建立新的String對象，而且返回這個新的對象，原來的對象是不會被改變的。這也是爲何像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的緣由。也是爲何像下面這樣調用不會改變對象的值：

String ss = "123456";  
  
System.out.println("ss = " + ss);  
  
ss.replace('1', '0');  
  
System.out.println("ss = " + ss);

打印結果：

ss = 123456
ss = 123456

String對象真的不可變嗎？

從上文可知String的成員變量是private final 的，也就是初始化以後不可改變。那麼在這幾個成員中， value比較特殊，由於他是一個引用變量，而不是真正的對象。value是final修飾的，也就是說final不能再指向其餘數組對象，那麼我能改變value指向的數組嗎？ 好比將數組中的某個位置上的字符變爲下劃線「_」。 至少在咱們本身寫的普通代碼中不可以作到，由於咱們根本不可以訪問到這個value引用，更不能經過這個引用去修改數組。

那麼用什麼方式能夠訪問私有成員呢？ 沒錯，用反射， 能夠反射出String對象中的value屬性， 進而改變經過得到的value引用改變數組的結構。下面是實例代碼：

public static void testReflection() throws Exception {  
      
    //建立字符串"Hello World"， 並賦給引用s  
    String s = "Hello World";   
      
    System.out.println("s = " + s); //Hello World  
      
    //獲取String類中的value字段  
    Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");  
      
    //改變value屬性的訪問權限  
    valueFieldOfString.setAccessible(true);  
      
    //獲取s對象上的value屬性的值  
    char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);  
      
    //改變value所引用的數組中的第5個字符  
    value[5] = '_';  
      
    System.out.println("s = " + s);  //Hello_World  
}

打印結果爲：

s = Hello World
s = Hello_World

在這個過程當中，s始終引用的同一個String對象，可是再反射先後，這個String對象發生了變化， 也就是說，經過反射是能夠修改所謂的「不可變」對象的。可是通常咱們不這麼作。這個反射的實例還能夠說明一個問題：若是一個對象，他組合的其餘對象的狀態是能夠改變的，那麼這個對象極可能不是不可變對象。例如一個Car對象，它組合了一個Wheel對象，雖然這個Wheel對象聲明成了private final 的，可是這個Wheel對象內部的狀態能夠改變， 那麼就不能很好的保證Car對象不可變。

 

String類不可變性的好處

1. 只有當字符串是不可變的，字符串池纔有可能實現。字符串池的實現能夠在運行時節約不少heap空間，由於不一樣的字符串變量都指向池中的同一個字符串。但若是字符串是可變的，那麼String interning將不能實現(String interning是指對不一樣的字符串僅僅只保存一個，即不會保存多個相同的字符串)，由於這樣的話，若是變量改變了它的值，那麼其它指向這個值的變量的值也會一塊兒改變。
2. 若是字符串是可變的，那麼會引發很嚴重的安全問題。譬如，數據庫的用戶名、密碼都是以字符串的形式傳入來得到數據庫的鏈接，或者在socket編程中，主機名和端口都是以字符串的形式傳入。由於字符串是不可變的，因此它的值是不可改變的，不然黑客們能夠鑽到空子，改變字符串指向的對象的值，形成安全漏洞。
3. 由於字符串是不可變的，因此是多線程安全的，同一個字符串實例能夠被多個線程共享。這樣便不用由於線程安全問題而使用同步。字符串本身即是線程安全的。
4. 類加載器要用到字符串，不可變性提供了安全性，以便正確的類被加載。譬如你想加載java.sql.Connection類，而這個值被改爲了myhacked.Connection，那麼會對你的數據庫形成不可知的破壞。
5. 由於字符串是不可變的，因此在它建立的時候hashcode就被緩存了，不須要從新計算。這就使得字符串很適合做爲Map中的鍵，字符串的處理速度要快過其它的鍵對象。這就是HashMap中的鍵每每都使用字符串。

做者：程序媛小雙
連接：https://www.zhihu.com/question/20618891/answer/147575525
來源：知乎
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shilvfei寫的測試代碼:

package string.test;

import java.lang.reflect.Field;

/**
 * @description
 * 
 * @author shilvfei
 * 
 * @date 2018年5月7日
 */
public class StringTest {

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		//test01();
		test02();
	}

	private static void test01() {
		String s = "abc";
		System.out.println("替換前s:"+s);
	
		String newS = s.replaceAll(s,"def");
		System.out.println("替換後s:"+s);
		System.out.println("newS:"+newS);
	}
	
	//String 真的是不可變的嗎？
	private static void test02() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
		String s = "hello World";
		System.out.println("s = "+s);
		
		//獲取String類的value
		Field valueFieldOfString  = String.class.getDeclaredField("value");
		 //改變value屬性的訪問權限  
		valueFieldOfString .setAccessible(true);
		//獲取s對象上的value屬性的值  
		char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
		//改變value所引用的數組中的第5個字符  
		value[5] = '_';
		System.out.println("s = "+s);
	}
	
	
}