Java | 字符串性能优化不容小觑，百M内存轻松存储几十G数据

骑猪看日落 2023-06-12 11:10 13阅读 0赞

String 对象是我们使用最频繁的一个对象类型，但它的性能问题却是最容易被忽略的。String 对象作为 Java 语言中重要的数据类型，是内存中占据空间最大的一个对象。高效地使用字符串，可以提升系统的整体性能。

接下来我们就从 String 对象的实现、特性以及实际使用中的优化这三个方面入手，深入了解。

在开始之前，我想先问你一个小问题，虽是老生常谈了，但错误率依然很高，能解释清楚答案背后原理的人少之又少。问题如下：

通过三种不同的方式创建了三个对象，再依次两两匹配，每组被匹配的两个对象是否相等？代码如下：

你可以先想想答案，以及这样回答的原因。希望通过今天的学习，你能拿到满分。

## String 对象是如何实现的？ ##

在 Java 语言中，Sun 公司的工程师们对 String 对象做了大量的优化，来节约内存空间，提升 String 对象在系统中的性能。一起来看看优化过程，如下图所示：

![640?wx\_fmt=jpeg][640_wx_fmt_jpeg]

**1. 在 Java6 以及之前的版本中**，String 对象是对 char 数组进行了封装实现的对象，主要有四个成员变量：char 数组、偏移量 offset、字符数量 count、哈希值 hash。

String 对象是通过 offset 和 count 两个属性来定位 char\[\] 数组，获取字符串。这么做可以高效、快速地共享数组对象，同时节省内存空间，但这种方式很有可能会导致内存泄漏。

**2. 从 Java7 版本开始到 Java8 版本**，Java 对 String 类做了一些改变。String 类中不再有 offset 和 count 两个变量了。这样的好处是 String 对象占用的内存稍微少了些，同时，String.substring 方法也不再共享 char\[\]，从而解决了使用该方法可能导致的内存泄漏问题。

**3. 从 Java9 版本开始，**工程师将 char\[\] 字段改为了 byte\[\] 字段，又维护了一个新的属性 coder，它是一个编码格式的标识。

工程师为什么这样修改呢？

我们知道一个 char 字符占 16 位，2 个字节。这个情况下，存储单字节编码内的字符（占一个字节的字符）就显得非常浪费。JDK1.9 的 String 类为了节约内存空间，于是使用了占 8 位，1 个字节的 byte 数组来存放字符串。

而新属性 coder 的作用是，在计算字符串长度或者使用 indexOf（）函数时，我们需要根据这个字段，判断如何计算字符串长度。coder 属性默认有 0 和 1 两个值，0 代表 Latin-1（单字节编码），1 代表 UTF-16。如果 String 判断字符串只包含了 Latin-1，则 coder 属性值为 0，反之则为 1。

## String 对象的不可变性 ##

了解了 String 对象的实现后，你有没有发现在实现代码中 String 类被 final 关键字修饰了，而且变量 char 数组也被 final 修饰了。

我们知道类被 final 修饰代表该类不可继承，而 char\[\] 被 final+private 修饰，代表了 String 对象不可被更改。Java 实现的这个特性叫作 String 对象的不可变性，即 String 对象一旦创建成功，就不能再对它进行改变。

**Java 这样做的好处在哪里呢？**

第一，保证 String 对象的安全性。假设 String 对象是可变的，那么 String 对象将可能被恶意修改。

第二，保证 hash 属性值不会频繁变更，确保了唯一性，使得类似 HashMap 容器才能实现相应的 key-value 缓存功能。

第三，可以实现字符串常量池。在 Java 中，通常有两种创建字符串对象的方式，一种是通过字符串常量的方式创建，如 String str=“abc”；另一种是字符串变量通过 new 形式的创建，如 String str = new String(“abc”)。

当代码中使用第一种方式创建字符串对象时，JVM 首先会检查该对象是否在字符串常量池中，如果在，就返回该对象引用，否则新的字符串将在常量池中被创建。这种方式可以减少同一个值的字符串对象的重复创建，节约内存。

String str = new String(“abc”) 这种方式，首先在编译类文件时，"abc"常量字符串将会放入到常量结构中，在类加载时，“abc"将会在常量池中创建；其次，在调用 new 时，JVM 命令将会调用 String 的构造函数，同时引用常量池中的"abc” 字符串，在堆内存中创建一个 String 对象；最后，str 将引用 String 对象。

**这里附上一个你可能会想到的经典反例。**

平常编程时，对一个 String 对象 str 赋值“hello”，然后又让 str 值为“world”，这个时候 str 的值变成了“world”。那么 str 值确实改变了，为什么我还说 String 对象不可变呢？

首先，我来解释下什么是对象和对象引用。Java 初学者往往对此存在误区，特别是一些从 PHP 转 Java 的同学。在 Java 中要比较两个对象是否相等，往往是用 ==，而要判断两个对象的值是否相等，则需要用 equals 方法来判断。

这是因为 str 只是 String 对象的引用，并不是对象本身。对象在内存中是一块内存地址，str 则是一个指向该内存地址的引用。所以在刚刚我们说的这个例子中，第一次赋值的时候，创建了一个“hello”对象，str 引用指向“hello”地址；第二次赋值的时候，又重新创建了一个对象“world”，str 引用指向了“world”，但“hello”对象依然存在于内存中。

也就是说 str 并不是对象，而只是一个对象引用。真正的对象依然还在内存中，没有被改变。

## String 对象的优化 ##

了解了 String 对象的实现原理和特性，接下来我们就结合实际场景，看看如何优化 String 对象的使用，优化的过程中又有哪些需要注意的地方。

### 1. 如何构建超大字符串？ ###

编程过程中，字符串的拼接很常见。前面我讲过 String 对象是不可变的，如果我们使用 String 对象相加，拼接我们想要的字符串，是不是就会产生多个对象呢？例如以下代码：

分析代码可知：首先会生成 ab 对象，再生成 abcd 对象，最后生成 abcdef 对象，从理论上来说，这段代码是低效的。

但实际运行中，我们发现只有一个对象生成，这是为什么呢？难道我们的理论判断错了？我们再来看编译后的代码，你会发现编译器自动优化了这行代码，如下：

String str= "abcdef";

上面我介绍的是字符串常量的累计，我们再来看看字符串变量的累计又是怎样的呢？

上面的代码编译后，你可以看到编译器同样对这段代码进行了优化。不难发现，Java 在进行字符串的拼接时，偏向使用 StringBuilder，这样可以提高程序的效率。

**综上已知：**即使使用 + 号作为字符串的拼接，也一样可以被编译器优化成 StringBuilder 的方式。但再细致些，你会发现在编译器优化的代码中，每次循环都会生成一个新的 StringBuilder 实例，同样也会降低系统的性能。

所以平时做字符串拼接的时候，我建议你还是要显示地使用 String Builder 来提升系统性能。

如果在多线程编程中，String 对象的拼接涉及到线程安全，你可以使用 StringBuffer。但是要注意，由于 StringBuffer 是线程安全的，涉及到锁竞争，所以从性能上来说，要比 StringBuilder 差一些。

### 2. 如何使用 String.intern 节省内存？ ###

讲完了构建字符串，我们再来讨论下 String 对象的存储问题。先看一个案例。

Twitter 每次发布消息状态的时候，都会产生一个地址信息，以当时 Twitter 用户的规模预估，服务器需要 32G 的内存来存储地址信息。

考虑到其中有很多用户在地址信息上是有重合的，比如，国家、省份、城市等，这时就可以将这部分信息单独列出一个类，以减少重复，代码如下：

通过优化，数据存储大小减到了 20G 左右。但对于内存存储这个数据来说，依然很大，怎么办呢？

这个案例来自一位 Twitter 工程师在 QCon 全球软件开发大会上的演讲，他们想到的解决方法，就是使用 String.intern 来节省内存空间，从而优化 String 对象的存储。

具体做法就是，在每次赋值的时候使用 String 的 intern 方法，如果常量池中有相同值，就会重复使用该对象，返回对象引用，这样一开始的对象就可以被回收掉。这种方式可以使重复性非常高的地址信息存储大小从 20G 降到几百兆。

SharedLocation sharedLocation = new SharedLocation();
    
    sharedLocation.setCity(messageInfo.getCity().intern());        	
    sharedLocation.setCountryCode(messageInfo.getRegion().intern());
    sharedLocation.setRegion(messageInfo.getCountryCode().intern());
    
    Location location = new Location();
    location.set(sharedLocation);
    location.set(messageInfo.getLongitude());
    location.set(messageInfo.getLatitude());

**为了更好地理解，我们再来通过一个简单的例子，回顾下其中的原理：**

输出结果：

在字符串常量中，默认会将对象放入常量池；在字符串变量中，对象是会创建在堆内存中，同时也会在常量池中创建一个字符串对象，复制到堆内存对象中，并返回堆内存对象引用。

如果调用 intern 方法，会去查看字符串常量池中是否有等于该对象的字符串的引用，如果没有，在 JDK1.6 版本中会复制堆中的字符串到常量池中，并返回该字符串引用，堆内存中原有的字符串由于没有引用指向它，将会通过垃圾回收器回收。

在 JDK1.7 版本以后，由于常量池已经合并到了堆中，所以不会再复制具体字符串了，只是会把首次遇到的字符串的引用添加到常量池中；如果有，就返回常量池中的字符串引用。

了解了原理，我们再一起看下上边的例子。

在一开始字符串"abc"会在加载类时，在常量池中创建一个字符串对象。

创建 a 变量时，调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象，String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。在调用 intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用。

创建 b 变量时，调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象，String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。在调用 intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用。

而在堆内存中的两个对象，由于没有引用指向它，将会被垃圾回收。所以 a 和 b 引用的是同一个对象。

如果在运行时，创建字符串对象，将会直接在堆内存中创建，不会在常量池中创建。所以动态创建的字符串对象，调用 intern 方法，在 JDK1.6 版本中会去常量池中创建运行时常量以及返回字符串引用，在 JDK1.7 版本之后，会将堆中的字符串常量的引用放入到常量池中，当其它堆中的字符串对象通过 intern 方法获取字符串对象引用时，则会去常量池中判断是否有相同值的字符串的引用，此时有，则返回该常量池中字符串引用，跟之前的字符串指向同一地址的字符串对象。

以一张图来总结 String 字符串的创建分配内存地址情况：

![640?wx\_fmt=jpeg][640_wx_fmt_jpeg 1]

使用 intern 方法需要注意的一点是，一定要结合实际场景。因为常量池的实现是类似于一个 HashTable 的实现方式，HashTable 存储的数据越大，遍历的时间复杂度就会增加。如果数据过大，会增加整个字符串常量池的负担。

### 3. 如何使用字符串的分割方法？ ###

最后我想跟你聊聊字符串的分割，这种方法在编码中也很最常见。Split() 方法使用了正则表达式实现了其强大的分割功能，而正则表达式的性能是非常不稳定的，使用不恰当会引起回溯问题，很可能导致 CPU 居高不下。

所以我们应该慎重使用 Split() 方法，我们可以用 String.indexOf() 方法代替 Split() 方法完成字符串的分割。如果实在无法满足需求，你就在使用 Split() 方法时，对回溯问题加以重视就可以了。

## 总结 ##

这一讲中，我们认识到做好 String 字符串性能优化，可以提高系统的整体性能。在这个理论基础上，Java 版本在迭代中通过不断地更改成员变量，节约内存空间，对 String 对象进行优化。

我们还特别提到了 String 对象的不可变性，正是这个特性实现了字符串常量池，通过减少同一个值的字符串对象的重复创建，进一步节约内存。

但也是因为这个特性，我们在做长字符串拼接时，需要显示使用 StringBuilder，以提高字符串的拼接性能。最后，在优化方面，我们还可以使用 intern 方法，让变量字符串对象重复使用常量池中相同值的对象，进而节约内存。

最后再分享一个个人观点。那就是千里之堤，溃于蚁穴。日常编程中，我们往往可能就是对一个小小的字符串了解不够深入，使用不够恰当，从而引发线上事故。

比如，在我之前的工作经历中，就曾因为使用正则表达式对字符串进行匹配，导致并发瓶颈，这里也可以将其归纳为字符串使用的性能问题。具体实战分析，我将在 04 讲中为你详解。

## 思考题 ##

通过今天的学习，你知道文章开头那道题的答案了吗？背后的原理是什么？

答案是false,false,true。背后的原理是：1、String str1 = "abc";通过字面量的方式创建，abc存储于字符串常量池中；2、String str2 = new String("abc");通过new对象的方式创建字符串对象，引用地址存放在堆内存中，abc则存放在字符串常量池中；所以str1 == str2?显然是false3、String str3 = str2.intern();由于str2调用了intern()方法，会返回常量池中的数据，地址直接指向常量池，所以str1 == str3；而str2和str3地址值不等所以也是false（str2指向堆空间，str3直接指向字符串常量池）。

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