【面试精讲】String是如何实现的？String源码分析

目录

一、String实现机制

二、String不可变性（使用final修饰）

三、String 和 StringBuilder、StringBuffer 的区别

四、==和equals的区别

五、String创建对象与JVM辨析

六、String源码解析

1、compareTo()

2、 equals() 

总结

 博主v：XiaoMing_Java

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在Java中，String类是使用最频繁的类之一。由于其不可变性、效率以及如何影响内存使用等方面的特点，String类成为了Java编程语言的一个核心组成部分。本文深入探讨String的实现机制、它的源码结构、特点以及用final修饰的好处。

一、String实现机制

在Java中，String被设计为不可变（immutable）的对象。这意味着一旦String对象被创建，它所包含的字符序列就不能被修改。每次对字符串进行操作时（例如拼接、替换字符等），实际上都会创建一个新的String对象。

从JDK 1.0到JDK 8，String内部是通过一个char数组来实现的，保存着所有的字符数据。从JDK 9开始，String类的内部实现改为使用byte数组加上一个编码标记（coder），以更有效地处理不同的字符集，优化内存使用和性能。

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    // 用于存储字符串的值
    private final char value[];

    // 缓存字符串的 hash code
    private int hash; // Default to 0
}

自JDK 9起，为了提升空间效率和性能，String的内部表示发生了变化，使用byte数组加上一个编码标志字段coder来存储字符串，如下所示：

// JDK 9及以后的String内部结构
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    // 实际存储字符串内容的byte数组
    private final byte[] value;

    // 字符串使用的编码标识（用于区分使用Latin-1还是UTF-16编码）
    private final byte coder;

    // 缓存字符串的哈希码
    private int hash; // 默认为0

    // 构造方法之一，用于从字符数组初始化字符串
    public String(char[] value) {
        // 这里简化了实际的实现细节
        this.value = StringLatin1.toBytes(value);
        this.coder = LATIN1;
    }

    // length() 方法实现
    public int length() {
        return value.length >> coder;
    }
}

二、String不可变性（使用final修饰）

String对象一旦被创建，其内容就不能被改变。任何对String的修改操作都会导致新的String对象的生成。这个特性带来了以下好处：

安全性：String常作为参数传递，其不可变性保证了数据不会被意外改变。防止子类改变父类(String)的行为，确保所有String实例都具有String定义的行为。

线程安全：在多线程环境下，String可以被自由共享而无需同步控制。

高效：因为String的内容不变，所以其哈希码可以被缓存，提高哈希表操作的效率。性能优化：

简化设计：由于不需要考虑子类的影响，使得String类的设计更简单、更稳定

 

三、String 和 StringBuilder、StringBuffer 的区别

String类重载了+运算符，使得字符串连接操作非常方便。然而，频繁的字符串连接操作会产生大量临时字符串对象，影响性能。为了解决这个问题，Java引入了StringBuilder和StringBuffer两个类，它们允许在单个字符序列上执行可变操作。

因为 String 类型是不可变的，所以在字符串拼接的时候如果使用 String 的话性能会很低，因此我们就需要使用另一个数据类型 StringBuffer，它提供了 append 和 insert 方法可用于字符串的拼接，它使用 synchronized 来保证线程安全。

在 JDK 1.5 有了 StringBuilder，它同样提供了 append 和 insert 的拼接方法，在非并发操作的环境下可使用 StringBuilder 来进行字符串拼接。

四、==和equals的区别

== 对于基本数据类型来说，是用于比较 “值”是否相等的；而对于引用类型来说，是用于比较引用地址是否相同的。

// Object 中的 equals() 方法其实就是 ==
public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}

// 而String重写equals()方法把它修改成比较两个字符串的值是否相等
public boolean equals(Object anObject) {
    // 对象引用相同直接返回 true
    if (this == anObject) {
        return true;
    }

    // 判断需要对比的值是否为 String 类型，如果不是则直接返回 false
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {

            // 把两个字符串都转换为 char 数组对比
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;

            // 循环比对两个字符串的每一个字符
            while (n-- != 0) {

                // 如果其中有一个字符不相等就 true false，否则继续对比
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

五、String创建对象与JVM辨析

String 常见的创建方式有两种，new String() 的方式和直接赋值的方式

直接赋值的方式会先去字符串常量池中查找是否已经有此值，如果有则把引用地址直接指向此值，否则会先在常量池中创建，然后再把引用指向此值；

new String() 的方式一定会先在堆上创建一个字符串对象，然后再去常量池中查询此字符串的值是否已经存在，如果不存在会先在常量池中创建此字符串，然后把引用的值指向此字符串

JDK 1.7 之后把永生代换成的元空间，把字符串常量池从方法区移到了 Java 堆上。

六、String源码解析

1、compareTo()

public int compareTo(String anotherString) {
    int len1 = value.length;
    int len2 = anotherString.value.length;

    // 获取到两个字符串长度最短的那个 int 值
    int lim = Math.min(len1, len2);
    char v1[] = value;
    char v2[] = anotherString.value;
    int k = 0;

    // 对比每一个字符
    while (k < lim) {
        char c1 = v1[k];
        char c2 = v2[k];
        if (c1 != c2) {
            // 有字符不相等就返回差值
            return c1 - c2;
        }
        k++;
    }
    return len1 - len2;
}

2、 equals() 

public boolean equals(Object anObject) {
    // 对象引用相同直接返回 true
    if (this == anObject) {
        return true;
    }

    // 判断需要对比的值是否为 String 类型，如果不是则直接返回 false
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {

            // 把两个字符串都转换为 char 数组对比
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;

            // 循环比对两个字符串的每一个字符
            while (n-- != 0) {
                // 如果其中有一个字符不相等就 true false，否则继续对比
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

总结

String在Java中的地位极其重要，其设计精巧、使用广泛。通过不可变性设计，String提供了高度的安全性和线程安全，同时final修饰符进一步确保了其不变契约的稳定性。了解String的内部实现和特点对于写出高效、安全和易维护的Java代码至关重要。

Java开发者应当熟练掌握String的使用，并在合适的场景选择使用StringBuilder或StringBuffer以优化性能。此外，深入理解String的设计哲学也有助于开发者设计自己的不可变类，为构建稳定和高效的Java应用打下坚实的基础。

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 博主v：XiaoMing_Java

  📫作者简介：嗨，大家好，我是 小明（小明Java问道之路），互联网大厂后端研发专家，2022博客之星TOP3 / 博客专家 / CSDN后端内容合伙人、InfoQ(极客时间)签约作者、阿里云签约博主、全网 6 万粉丝博主。

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