String类设计成final的原因

ゝ一纸荒年。 2022-05-24 00:50 190阅读 0赞

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大神链接：[在java中String类为什么要设计成final？ - 程序员 - 知乎][java_String_final_ - _ -]

我进行了重新排版，并且更换了其中的一个例子，让我们更好理解。

String很多实用的特性，比如说“不可变性”，是工程师精心设计的艺术品！艺术品易碎！用final就是拒绝继承，防止世界被熊孩子破坏，维护世界和平！

# 1. 什么是不可变？ #

String不可变很简单，如下图，给一个已有字符串“abcd”第二次赋值成“abcedl”，不是在原内存地址上修改数据，而是重新指向一个新对象，新地址。

![Center][]

# 2. String为什么不可变？ #

翻开JDK源码，**java.lang.String**类起手前三行，是这样写的：

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence \{
2.  /\*\* String本质是个char数组. 而且用final关键字修饰.\*/
3.  private final char value\[\];
4.  …
5.  …
6.  \}

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
        /** String本质是个char数组. 而且用final关键字修饰.*/
        private final char value[];
        ...
        ...
    }

首先String类是用final关键字修饰，这说明String不可继承。再看下面，String类的主力成员字段value是个char\[ \]数组，而且是用**final**修饰的。final修饰的字段创建以后就不可改变。  
  
有的人以为故事就这样完了，其实没有。因为虽然value是不可变，也只是value这个引用地址不可变。挡不住**Array数组是可变的**事实。Array的数据结构看下图

![20160902151342786][]

也就是说Array变量只是stack上的一个引用，数组的本体结构在heap堆。String类里的value用final修饰，只是说stack里的这个叫value的引用地址不可变。没有说堆里array本身数据不可变。看下面这个例子，

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  final int\[\] value=\{ 1,2,3\}
2.  int\[\] another=\{ 4,5,6\};
3.  value=another; //编译器报错，final不可变

final int[] value={1,2,3}
    int[] another={4,5,6};
    value=another;    //编译器报错，final不可变

value用final修饰，编译器不允许我把value指向堆区另一个地址。但如果我直接对数组元素动手，分分钟搞定。

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  final int\[\] value=\{ 1,2,3\};
2.  value\[2\]=100; //这时候数组里已经是\{1,2,100\}

final int[] value={1,2,3};
    value[2]=100;  //这时候数组里已经是{1,2,100}

或者更粗暴的反射直接改，也是可以的。

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  final int\[\] array=\{ 1,2,3\};
2.  Array.set(array,2,100); //数组也被改成\{1,2,100\}

final int[] array={1,2,3};
    Array.set(array,2,100); //数组也被改成{1,2,100}

所以String是不可变，**关键是**因为SUN公司的工程师，在后面所有String的方法里很小心的没有去动Array里的元素，没有暴露内部成员字段。

private final char value\[\]这一句里，private的私有访问权限的作用都比final大。而且设计师还很小心地把整个String设成final禁止继承，避免被其他人继承后破坏。所以**String是不可变的关键都在底层的实现，而不是一个final。**考验的是工程师构造数据类型，封装数据的功力。

# 3. 不可变有什么好处？ #

这个最简单的原因，就是为了**安全**。

## 示例1 ##

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  package \_12\_01字符串;
2.  
3.  public class 为什么String要设计成不可变类你 \{
4.  
5.  public static void main(String\[\] args) \{
6.  
7.  String a, b, c;
8.  a = ”test”;
9.  b = a;
10. c = b;
11. String processA = processA(a);
12. String processB = processB(b);
13. String processC = processC(c);
14. System.out.println(processA);
15. System.out.println(processB);
16. System.out.println(processC);
17. \}
18. 
19. static String processA(String str)\{
20. return str + “A”;
21. \}
22. 
23. static String processB(String str)\{
24. return str + “B”;
25. \}
26. 
27. static String processC(String str)\{
28. return str + “C”;
29. \}
30. 
31. \}
32. //OUTPUT
33. // testA
34. //testB
35. //testC

package _12_01字符串;
    
    public class 为什么String要设计成不可变类你 {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            String a, b, c;
            a = "test";
            b = a;
            c = b;
            String processA = processA(a);
            String processB = processB(b);
            String processC = processC(c);
            System.out.println(processA);
            System.out.println(processB);
            System.out.println(processC);
        }
    
        static String processA(String str){
            return str + "A";
        }
    
        static String processB(String str){
            return str + "B";
        }
    
        static String processC(String str){
            return str + "C";
        }
    
    }
    //OUTPUT
    // testA
    //testB
    //testC

当String支持非可变性的时候，它们的值很好确定，不管调用哪个方法，都互不影响。

如果String是可变的，就可能如下例，我们使用StringBuffer来模拟String是可变的

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  package \_12\_01字符串;
2.  
3.  public class 为什么String要设计成不可变类2 \{
4.  
5.  public static void main(String\[\] args) \{
6.  
7.  StringBuffer a, b, c;
8.  a = new StringBuffer(“test”);
9.  b = a;
10. c = b;
11. String processA = processA(a);
12. String processB = processB(b);
13. String processC = processC(c);
14. System.out.println(processA);
15. System.out.println(processB);
16. System.out.println(processC);
17. \}
18. 
19. static String processA(StringBuffer str)\{
20. return str.append(“A”).toString();
21. \}
22. 
23. static String processB(StringBuffer str)\{
24. return str.append(“B”).toString();
25. \}
26. 
27. static String processC(StringBuffer str)\{
28. return str.append(“C”).toString();
29. \}
30. 
31. \}
32. //OUTPUT
33. // testA
34. //testAB
35. //testABC

package _12_01字符串;
    
    public class 为什么String要设计成不可变类2 {
    
        public static void main(String[] args) {
    
            StringBuffer a, b, c;
            a = new StringBuffer("test");
            b = a;
            c = b;
            String processA = processA(a);
            String processB = processB(b);
            String processC = processC(c);
            System.out.println(processA);
            System.out.println(processB);
            System.out.println(processC);
        }
    
        static String processA(StringBuffer str){
            return str.append("A").toString();
        }
    
        static String processB(StringBuffer str){
            return str.append("B").toString();
        }
    
        static String processC(StringBuffer str){
            return str.append("C").toString();
        }
    
    }
    //OUTPUT
    // testA
    //testAB
    //testABC

能看出b=a,c=b;程序员的本意是希望变量是不变的。所以String不可变的安全性就体现在这里。实际上StringBuffer的作用就是起到了String的可变配套类角色。

## 示例2 ##

再看下面这个**HashSet**用StringBuilder做元素的场景，问题就更严重了，而且更隐蔽。

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  class Test\{
2.  public static void main(String\[\] args)\{
3.  HashSet<StringBuilder> hs=new HashSet<StringBuilder>();
4.  StringBuilder sb1=new StringBuilder(“aaa”);
5.  StringBuilder sb2=new StringBuilder(“aaabbb”);
6.  hs.add(sb1);
7.  hs.add(sb2); //这时候HashSet里是\{“aaa”,”aaabbb”\}
8.  
9.  StringBuilder sb3=sb1;
10. sb3.append(”bbb”); //这时候HashSet里是\{“aaabbb”,”aaabbb”\}
11. System.out.println(hs);
12. \}
13. \}
14. //Output:
15. //\[aaabbb, aaabbb\]

class Test{
        public static void main(String[] args){
            HashSet<StringBuilder> hs=new HashSet<StringBuilder>();
            StringBuilder sb1=new StringBuilder("aaa");
            StringBuilder sb2=new StringBuilder("aaabbb");
            hs.add(sb1);
            hs.add(sb2);    //这时候HashSet里是{"aaa","aaabbb"}
    
            StringBuilder sb3=sb1;
            sb3.append("bbb");  //这时候HashSet里是{"aaabbb","aaabbb"}
            System.out.println(hs);
        }
    }
    //Output:
    //[aaabbb, aaabbb]

StringBuilder 型变量 sb1 和 sb2 分别指向了堆内的字面量 “aaa” 和 “aaabbb” 。把他们都插入一个 HashSet 。到这一步没问题。但如果后面我把变量 sb3 也指向 sb1 的地址，再改变 sb3 的值，因为 StringBuilder 没有不可变性的保护， sb3 直接在原先 “aaa” 的地址上改。导致 sb1 的值也变了。这时候， HashSet 上就出现了两个相等的键值 “aaabbb” 。 **破坏了** **HashSet键值的唯一性** 。所以 **千万不要用可变类型做** **HashMap和HashSet键值。**

## 不可变性支持线程安全 ##

还有一个大家都知道，就是在并发场景下，多个线程同时读一个资源，是不会引发竟态条件的。只有对资源做写操作才有危险。不可变对象不能被写，所以线程安全。

## 不可变性支持字符串常量池 ##

**最后别忘了** **String** **另外一个字符串常量池的属性。像下面这样字符串** **one** **和** **two** **都用字面量** **“something”** **赋值。它们其实都指向同一个内存地址。**

**\[java\]** view plain copy

print ?

1.  String one = “someString”;
2.  String two = ”someString”;

String one = "someString";
    String two = "someString";

![20160902151942395][]

这样在大量使用字符串的情况下，可以节省内存空间，提高效率。但之所以能实现这个特性，String的不可变性是最基本的一个必要条件。要是内存里字符串内容能改来改去，这么做就完全没有意义了。

总的来说：  
1、由于String类不能被继承，所以就不会没修改，这就避免了因为继承引起的安全隐患，如果不设置为final，String类在Java中是经常用到的，如果能够重写、修改，那Java的优点之一，安全性将大打折扣。  
2、String每次出现时都用final来修饰，这无疑会降低程序的执行效率，所以干脆直接将其设为final一提高效率。

[https_blog.csdn.net_u013905744_article_details_52414111]: https://blog.csdn.net/u013905744/article/details/52414111
[java_String_final_ - _ -]: https://www.zhihu.com/question/31345592
[Center]: /images/20220524/f914e3a3d77146d3af06785ee963d807.png
[20160902151342786]: /images/20220524/863b476ac5154b2aaad9fd6bb7ebe73c.png
[20160902151942395]: /images/20220524/ff1b97559101479eb5e4d2a9424a06f5.png