你真的理解Java 字符串的不可变性吗？

向右看齐 2022-11-30 04:16 150阅读 0赞

#### 一、背景 ####

字符串的不可变性可以说是面试中的一个常见的“简单的” 问题。

常见的回答如：

字符串创建后不可改变。

字符串的不可变性是指字符串的字符不可变。

String 的 value 字符数组声明为 final 保证不可变。

真的是这样吗？

下面我们再思考两个问题：

*  那么字符串的不可变究竟是指什么？
 *  是如何保证的呢？

下面看一个奇怪的现象：在程序一段程序的最后执行下面的语句居然打印了 “aw” 为什么？

// 前面代码省略
    System.out.println("ab");

建议大家先思考，然后再看下文。

#### 二、案例 ####

你认为下面的示例代码的输出结果是啥？

import java.lang.reflect.Field;
    
    public class Test {
        public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
            String str = "ab";
            System.out.println("str=" + str);
            Class stringClass = str.getClass();
            Field field = stringClass.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            char[] value = (char[]) field.get(str);
            value[1] = 'w';
            System.out.println("str=" + str );
        }
    }

输出结果为：

str=ab
    str=aw

是不是和有些同学想的有些不一样呢？

字符串的字符数组可以通过反射进行修改，导致字符串的“内容”发生了变化。

我们再多打印一些：

import java.lang.reflect.Field;
    
    public class Test {
        public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
            String str = "ab";
            System.out.println("str=" + str + "," + System.identityHashCode(str)+","+ str.hashCode());
            Class stringClass = str.getClass();
            Field field = stringClass.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            char[] value = (char[]) field.get(str);
            value[1] = 'w';
            System.out.println("str=" + str + "," + System.identityHashCode(str)+","+ str.hashCode());
        }
    }

输出结果为：

str=ab,1638215613,3105
    str=aw,1638215613,3105

通过这个例子我们可以看出，String 字符串对象的 value 数组的元素是可以被修改的。

简单看下 java.lang.System\#identityHashCode 的源码：

/**
         * Returns the same hash code for the given object as
         * would be returned by the default method hashCode(),
         * whether or not the given object's class overrides
         * hashCode().
         * The hash code for the null reference is zero.
         *
         * @param x object for which the hashCode is to be calculated
         * @return  the hashCode
         * @since   JDK1.1
         */
        public static native int identityHashCode(Object x);

native 方法，该函数给出对象唯一的哈希值（不管是否重写了 hashCode 方法）。

可知，对象没有变。

那么，我们知道 String 的哈希值是通过字符串的字符数组计算得来的（JDK8）,那为啥两次 hashCode 函数返回值一样呢？

我们再仔细看下 java.lang.String\#hashCode 源码：

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 
    
        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;
        }
      //省略其他
    }

发现在第一次调用 hashCode 函数之后，字符串对象内通过 hash 这个属性缓存了 hashCode的计算结果（只要缓存过了就不会再重新计算），因此第二次和第一次相同。

那么如何保证不可变性的呢？

首先将 String 类声明为 fianl 保证不可继承。

然后，所有修改的方法都返回新的字符串对象，保证修改时不会改变原始对象的引用。

public String concat(String str) {
            int otherLen = str.length();
            if (otherLen == 0) {
                return this;
            }
            int len = value.length;
            char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
            str.getChars(buf, len);
            return new String(buf, true);
        }

其次，字符串字面量都会指向同一个对象。

public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        // 字符串字面量
            String str = "ab";
            System.out.println("str=" + str + "," + System.identityHashCode(str)+","+ str.hashCode());
            Class stringClass = str.getClass();
            Field field = stringClass.getDeclaredField("value");
            field.setAccessible(true);
            char[] value = (char[]) field.get(str);
            value[1] = 'w';
            System.out.println("str=" + str + "," + System.identityHashCode(str)+","+ str.hashCode());
        // 字符串字面量
            System.out.println("ab");
        }

可以看到打印结果为：

str=ab,1638215613,3105
    str=aw,1638215613,3105
    aw

很多人不理解，为啥 System.out.println(“ab”); 打印 aw ？

是因为字符串字面量都指向字符串池中的同一个字符串对象（本质是池化的思想，通过复用来减少资源占用来提高性能）。

https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/jls-3.html\#jls-3.10.5

A string literal is a reference to an instance of class String (§4.3.1, §4.3.3).

字符串字面量是指向字符串实例的一个引用。

Moreover, a string literal always refers to the same instance of class String. This is because string literals - or, more generally, strings that are the values of constant expressions (§15.28) - are “interned” so as to share unique instances, using the method String.intern.

字符串字面量都指向同一个字符串实例。  
因为字面量字符串都是常量表达式的值，都通过String.intern共享唯一实例。

/**
         * Returns a canonical representation for the string object.
         * <p>
         * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
         * class {@code String}.
         * <p>
         * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
         * string equal to this {@code String} object as determined by
         * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
         * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
         * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
         * <p>
         * It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
         * {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
         * if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
         * <p>
         * All literal strings and string-valued constant expressions are
         * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
         * <cite>The Java™ Language Specification</cite>.
         *
         * @return  a string that has the same contents as this string, but is
         *          guaranteed to be from a pool of unique strings.
         */
        public native String intern();

对象池中存在，则直接指向对象池中的字符串对象，否则创建字符串对象放到对象池中并指向该对象。

因此可以看出，字符串的不可变性是指引用的不可变。

虽然 String 中的 value 字符数组声明为 final，但是这个 final 仅仅是让 value的引用不可变，而不是为了让字符数组的字符不可替换。

由于开始的 ab 和最后的 ab 属于字面量，指向同一个字符串池中的同一个对象，因此对象的属性修改，两个地方打印都会受到影响。

#### 三、思考 ####

很多简单的问题并没有看起来那么简单。

大家在看技术博客，在读源码的时候，一定要有自己的思考，多问几个为什么，有机会多动手实践。

大家在学习某个技术时要养成本质思维，即思考问题的本质是什么。

面试的时候，简单的问题要回答全面又有深度，不会的问题要回答出自己的思路，这样才会有更多的机会。