String类的不可变性及StringBuilder原理

骑猪看日落 2022-06-08 08:21 158阅读 0赞

# String类不可变性的好处 #

String s="ABC";
    s.toLowerCase();

s.toLowerCase()并没有改变“ABC”的值，而是创建了一个新的String类“abc”，然后将新的实例指向变量s。

String类设置为不可变类的好处：

（1）提高Java字符串池（String Pool）的效率和安全性。当知道一个对象是不可变的，那么拷贝这个对象的内容时，就不用赋值它的本身而只是复制它的地址，复制地址需要很小的内存，效率也很高。  
（2）不可变对象对于多线程是安全的，因为多线程的情况下，一个可变对象的值可能被其他进程改变，这样会造成不可预期的结果，而使用不可变对象就可以避免这种情况。

# 为什么将String设计成不可变类 #

（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";

![这里写图片描述][SouthEast]

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.

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.

（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。例如你想加载java.sql.Connection类，而这个值被改成了myhacked.Connection，那么会对你的数据库造成不可知的破坏。

# StringBuilder的实现原理 #

StringBuilder类也封装了一个字符数组，定义如下：

char[] value;

与String不同，它不是final的，可以修改。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;

StringBuilder继承自AbstractStringBuilder，它的默认构造方法是：

public StringBuilder() {
        super(16);
    }

调用父类的构造方法，父类对应的构造方法是：

AbstractStringBuilder(int capacity) {
        value = new char[capacity];
    }

也就是说，new StringBuilder()这句代码，内部会创建一个长度为16的字符数组，count的默认值为0。

**append的实现**

public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null) str = "null";
        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，实际使用的长度用count体现。具体来说，ensureCapacityInternal(count+len)会确保数组的长度足以容纳新添加的字符，str.getChars会拷贝新添加的字符到字符数组中，count+=len会增加实际使用的长度。

ensureCapacityInternal的代码如下：

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
        // overflow-conscious code
        if (minimumCapacity - value.length > 0)
            expandCapacity(minimumCapacity);
    }

如果字符数组的长度小于需要的长度，则调用expandCapacity进行扩展，expandCapacity的代码是：

void expandCapacity(int minimumCapacity) {
        int newCapacity = value.length * 2 + 2;
        if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
            newCapacity = minimumCapacity;
        if (newCapacity < 0) {
            if (minimumCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
        }
        value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
    }

扩展的逻辑是，分配一个足够长度的新数组，然后将原内容拷贝到这个新数组中，最后让内部的字符数组指向这个新数组，这个逻辑主要靠下面这句代码实现：

value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);

**toString实现**

字符串构建完后，我们来看toString代码：

public String toString() {
        // Create a copy, don't share the array
        return new String(value, 0, count);
    }

基于内部数组新建了一个String，注意，这个String构造方法不会直接用value数组，而会新建一个，以保证String的不可变性。

[SouthEast]: /images/20220608/be689a7854b744e1a46e8fc4d30c05d4.png