为什么String类是不可变的？

2022-05-29 10:00:48

为什么String类是不可变的？#

String类

什么是不可变对象

　　当满足以下条件时，对象才是不可变的：

对象创建以后其状态就不能修改。
对象的所有域都是final类型的。
对象是正确创建的（在对象的创建期间，this引用没有逸出）。

　　这是《Java并发编程实战》一书中的定义。在书中，说明并不是一定要将所有的域都设为final类型，比如String类就是这种情况，String会将散列值的计算推迟到第一次调用hashCode()时进行，并将计算得到的散列值缓存到非final类型的域中，但这种方式之所以可行，是因为在每次计算时都得到相同的结果，这基于一个不可变的状态（书中指出：自己编写代码时不要这么做，推荐全都设为final）。

　　因此，不可变对象可以理解为：如果一个对象，在它正确创建完成之后，不能再改变它的状态（包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能指向其他的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变），那么这个对象就是不可变的。

“不可变的对象”与“不可变的对象引用”区别

比如：

String str = "test";

str = "test1";

我们从下图可以看到，当定义String str = "test1"时，其实不是真正改变了str的内容，而是改变了str的引用。

　　那么何为"不可变的对象引用"呢？final只保证引用类型变量所引用的地址不会改变，即一直引用同一个对象，但是这个对象的内容(对象的非final成员变量的值可以改变)完全可以发生改变（比如final int[] intArray;，intArray不允许再引用其他对象，但是intArray内的int值却可以被修改）。

为什么String对象是不可变的？

　　要理解String的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。在JDK1.8中，String的成员变量有以下几个：

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

　　其中，成员变量hash并没有用final声明，但是由于第一次调用hashCode()会重新计算hash值，并且以后调用会使用已缓存的值，当然最关键的是每次计算时都得到相同的结果，所以也保证了对象的不可变。

    public int hashCode() {

        int h = hash;

        if (h == 0 && value.length > 0) {

            char val[] = value;

            for (int i = 0; i < value.length; i++) {

                h = 31 * h + val[i];

            }

            hash = h;

        }

        return h;

    }

　　在Java中，数组也是对象，所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的：

　　value是String封装的数组，value中的所有字符都是属于String这个对象的。由于value是private的，并且没有提供setValue等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改。此外，value变量是final的，也就是说在String类内部，一旦这个值初始化了，value引用类型变量所引用的地址不会改变，即一直引用同一个对象。所以可以说String对象是不可变对象。但其实value所引用对象的内容完全可以发生改变（反射消除String类对象的不可变特性）。

如何理解substring， replace， replaceAll， toLowerCase等方法

比如：

String a = "ABCabc";

System.out.println("a = " + a);

a = a.replace('A', 'a');

System.out.println("a = " + a);

　　a的值看似改变了，其实也是同样的误区。再次说明， a只是一个引用，不是真正的字符串对象，在调用a.replace('A', 'a')时，方法内部创建了一个新的String对象，并把这个新的对象重新赋给了引用a。String中replace方法的源码可以说明问题：

    public String replace(char oldChar, char newChar) {

        if (oldChar != newChar) {

            int len = value.length;

            int i = -1;

            char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

            while (++i < len) {

                if (val[i] == oldChar) {

                    break;

                }

            }

            if (i < len) {

                char buf[] = new char[len];

                for (int j = 0; j < i; j++) {

                    buf[j] = val[j];

                }

                while (i < len) {

                    char c = val[i];

                    buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;

                    i++;

                }

                return new String(buf, true);

            }

        }

        return this;

    }

String类不可变性的好处

只有当字符串是不可变的，字符串池才有可能实现。字符串池的实现可以在运行时节约很多heap空间，因为不同的字符串引用可以指向池中的同一个字符串。但如果字符串是可变的，如果变量改变了它的值，那么其它指向这个值的变量的值也会一起改变。
如果字符串是可变的，那么会引起很严重的安全问题。譬如，数据库的用户名、密码都是以字符串的形式传入数据库，以获得数据库的连接，或者在socket编程中，主机名和端口都是以字符串的形式传入。因为字符串是不可变的，所以它的值是不可改变的，否则黑客们可以钻到空子，改变字符串指向的对象的值，造成安全漏洞。
因为字符串是不可变的，所以是多线程安全的，同一个字符串实例可以被多个线程共享。这样便不用因为线程安全问题而使用同步。
类加载器要用到字符串，不可变性提供了安全性，以便正确的类被加载。譬如你想加载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。
因为字符串是不可变的，所以在它创建的时候hashcode就被缓存了，不需要重新计算，这就使得字符串很适合作为Map中的键，字符串的处理速度要快过其它的键对象。这就是HashMap中的键往往都使用字符串的原因。

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