在java中String类为什么要设计成final？

柔光的暖阳◎ 2022-04-10 02:51 219阅读 0赞

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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：

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.  `}`

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，

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`

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。

1.  `final int[] value={1,2,3};`
2.  `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。

1.  `final int[] array={1,2,3};`
2.  `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 ##

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`

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

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`

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。

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]`

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。**

1.  `String one = "someString";`
2.  `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。

[java_String_final_ - _ -]: https://www.zhihu.com/question/31345592
[Center]: /images/20220403/d1d8210c55264bd9b5a44f6e523a5b1c.png
[20160902151342786]: /images/20220403/664bd38bbf9144729c2e67b7b1abc354.png
[20160902151942395]: /images/20220403/58024ce714104befa2642c62adf6da5c.png