深入解析Java中的String对象及其性能优化

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引言

在Java编程中，String对象无疑是我们日常工作中使用最为频繁的数据类型之一。然而，其性能问题却往往被开发者所忽视。由于String对象在内存中占用空间较大，因此高效地使用字符串对于提升系统整体性能至关重要。本文将从String对象的实现、特性以及实际使用中的优化三个方面入手，深入探讨其性能优化的方法。

String对象的实现与特性

在这里插入图片描述

Java 6及以前版本

在Java 6及以前的版本中，String对象是对char数组进行了封装实现的对象。它主要包括四个成员变量：char数组、偏移量offset、字符数量count、哈希值hash。通过offset和count两个属性，String对象能够高效地定位char[]数组，从而快速获取字符串。这种设计有助于实现字符串的共享，减少内存空间的占用，但也可能导致内存泄漏问题。

Java 7至Java 8版本

从Java 7版本开始，Java对String类做了一些调整。在String类中，不再包含offset和count两个变量。这样的改动使得String对象占用的内存稍微减少，同时，String.substring方法也不再共享原始的char[]数组，从而解决了使用该方法可能导致的内存泄漏问题。

Java 9及以后版本

在Java 9及以后的版本中，工程师们对String类进行了进一步的优化。他们将char[]字段改为了byte[]字段，并新增了一个名为coder的属性。这个新属性用于标识字符串的编码格式。

之所以进行这样的修改，是因为在存储单字节编码内的字符时，使用char数组（每个字符占2个字节）会显得非常浪费。因此，JDK 1.9中的String类采用了占1个字节的byte数组来存放字符串，以节约内存空间。而coder属性则用于在计算字符串长度或使用indexOf()函数时，判断如何计算字符串长度。coder属性有两个可能的值：0代表Latin-1（单字节编码），1代表UTF-16。

实际使用中的优化

字符串创建与比较

在Java中，字符串的创建和比较是常见的操作。然而，不正确的创建和比较方式可能会导致性能问题。例如，通过new String("abc")方式创建的字符串与通过字符串常量池（String Pool）创建的字符串（如"abc"）在内存中的表示是不同的。因此，在比较两个字符串是否相等时，应该使用equals()方法而不是==运算符。

此外，intern()方法也是一个值得注意的方法。它可以将一个字符串添加到字符串常量池中，并返回该字符串在常量池中的引用。如果字符串已经存在于常量池中，则直接返回该引用。这个方法在某些场景下可以用于优化字符串的使用。

面试题解析

以下是一个常见的面试题，用于考察面试者对字符串的理解：

String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
String str3 = str2.intern();
assertSame(str1 == str2); // 预期为false
assertSame(str2 == str3); // 预期为false
assertSame(str1 == str3); // 预期为true（在Java 7及以上版本）

在这个例子中，str1是通过字符串常量池创建的，而str2是通过new关键字在堆内存中创建的。因此，str1和str2在内存中的引用是不同的，所以str1 == str2的结果为false。而str3是通过调用str2.intern()方法得到的，由于字符串"abc"已经存在于字符串常量池中，所以str3实际上是指向常量池中"abc"的引用，因此str1 == str3的结果为true（在Java 7及以上版本）。

深入解析Java中String对象的不可变性

当我们探讨Java中的String对象时，一个不可忽视的特性就是其不可变性（immutable）。这种特性使得String对象一旦创建，其内容就无法被修改。了解String的不可变性对于正确使用Java字符串和避免常见的性能问题至关重要。

String对象的不可变性

在Java中，String类被final关键字修饰，意味着这个类不能被继承。同时，String对象内部用于存储字符的char数组也被声明为final和private，这确保了String对象的内容在创建后无法被修改。

不可变性的好处

安全性：由于String对象是不可变的，它们可以被安全地共享而无需担心被其他代码段意外修改。这提高了代码的安全性和可维护性。
缓存哈希值：由于String对象的内容不会改变，因此其哈希值（hashCode()方法返回的值）在对象被创建时就可以被计算并缓存起来。这提高了String对象在哈希表（如HashMap）中的性能。
字符串常量池：Java提供了字符串常量池（String Constant Pool），用于存储字符串字面量。当使用字面量创建String对象时（如String str = "abc";），JVM会首先检查常量池中是否已存在相同内容的字符串。如果存在，则返回该字符串的引用；否则，在常量池中创建一个新的字符串对象。这种机制减少了不必要的对象创建，提高了内存使用效率。
线程安全：由于String对象是不可变的，因此它们在多线程环境中是安全的。无需额外的同步机制即可在多个线程之间安全地共享String对象。

对象与对象引用的区别

在Java中，我们经常混淆对象和对象引用。当我们说String str = "hello";时，str实际上是一个指向String对象的引用，而不是对象本身。对象在内存中占用一块地址空间，而str则是这个地址的引用。

当我们执行str = "world";时，并没有修改原来的"hello"对象，而是创建了一个新的"world"对象，并将str的引用指向了这个新对象。原来的"hello"对象仍然存在于内存中（除非没有任何引用指向它，从而被垃圾收集器回收）。

这种机制使得Java中的字符串操作非常灵活和高效。但是，也需要注意不要在不必要的情况下频繁地创建新的字符串对象，以避免不必要的内存分配和垃圾收集开销。

小结

String对象的不可变性是Java语言中的一个重要特性，它带来了安全性、性能优化和线程安全等多方面的好处。同时，了解对象和对象引用的区别对于正确使用Java字符串至关重要。通过合理使用字符串常量池和避免不必要的字符串对象创建，我们可以进一步提高Java程序的性能和内存使用效率。

String对象的优化

了解了String对象的实现原理和特性后，我们将结合实际场景探讨如何优化String对象的使用，并指出在优化过程中需要注意的事项。

1. 如何构建超大字符串？

字符串常量的拼接

在编程中，字符串的拼接很常见。尽管String对象是不可变的，但在某些情况下，如字符串常量的拼接，编译器会进行优化。例如：

String str = "ab" + "cd" + "ef";

在编译时，上述代码会被优化为：

String str = "abcdef";

这意味着编译器在编译阶段就进行了优化，只生成了一个String对象。

字符串变量的拼接

然而，当涉及到字符串变量的拼接时，情况就不同了。以下代码示例：

String str = "abcdef";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    str = str + i;
}

虽然从代码上看似简单，但实际上每次循环都会创建一个新的String对象，这会导致大量内存分配和垃圾回收，从而影响性能。为了提高性能，可以使用StringBuilder或StringBuffer来构建超大字符串。

使用StringBuilder

StringBuilder sb = new StringBuilder("abcdef");
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(i);
}
String str = sb.toString();

使用StringBuilder可以避免不必要的内存分配和垃圾回收，显著提高性能。

使用StringBuffer（线程安全）

如果在多线程环境中需要构建字符串，则应使用StringBuffer。但请注意，由于StringBuffer是线程安全的，因此其性能通常低于StringBuilder。

2. 使用String.intern()节省内存

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。
在某些情况下，如Twitter中存储大量重复的地址信息，可以使用String.intern()方法来节省内存。String.intern()方法返回字符串对象的规范表示形式。如果字符串常量池中已经存在一个与该字符串相等的字符串，则返回该字符串的引用；否则，将此字符串添加到常量池中，并返回此字符串的引用。

示例

public class SharedLocation {
    private String city;
    private String region;
    private String countryCode;

    public void setCity(String city) {
        this.city = city.intern();
    }

    // ... 其他setter方法 ...
}

通过在SharedLocation类中使用String.intern()方法，可以确保相同的字符串只被存储一次在字符串常量池中，从而显著减少内存的使用。但请注意，这种方法可能会降低性能，并且需要谨慎使用，以避免潜在的问题。

小结

在优化String对象的使用时，我们需要根据具体场景选择适当的方法。对于字符串常量的拼接，编译器会自动进行优化；对于字符串变量的拼接，应使用StringBuilder或StringBuffer来提高性能；在需要节省内存的场景中，可以考虑使用String.intern()方法。但请务必注意每种方法的优缺点，并根据实际情况进行选择。

如何使用String.intern节省内存？

讲完了构建字符串的优化后，我们再来探讨下如何通过String.intern()方法来节省内存。在实际应用中，尤其是处理大量重复字符串数据时，内存使用是一个需要考虑的重要因素。Twitter这样的社交平台就是一个很好的例子，其中用户的地址信息可能包含大量重复的城市、省份和国家等字符串。

案例背景

Twitter每次发布消息时，都会记录用户的地址信息。考虑到Twitter庞大的用户规模，地址信息的存储可能会占用大量的内存。为了优化内存使用，Twitter的工程师们采取了多种策略，其中之一就是使用String.intern()。

使用String.intern()

String.intern()方法用于将字符串添加到Java的字符串常量池中，并返回该字符串在常量池中的引用。如果常量池中已经存在具有相同内容的字符串，则intern()方法会直接返回该字符串的引用，而不是创建一个新的字符串对象。这有助于减少内存中的重复字符串对象，从而节省内存。

示例代码

首先，我们假设有一个MessageInfo类，它包含了地址信息：

public class MessageInfo {
    private String city;
    private String region;
    private String countryCode;
    // ... 其他字段和getter/setter方法 ...
}

public class SharedLocation {
    private String city;
    private String region;
    private String countryCode;

    public void setCity(String city) {
        this.city = city.intern();
    }

    public void setRegion(String region) {
        this.region = region.intern();
    }

    public void setCountryCode(String countryCode) {
        this.countryCode = countryCode.intern();
    }
    // ... 其他setter方法 ...
}

public class Location {
    private SharedLocation sharedLocation;
    private double longitude;
    private double latitude;

    // ... 构造器、getter/setter方法 ...
}

在上面的代码中，我们在SharedLocation类的setter方法中调用了intern()方法。这样，当设置城市、省份或国家代码时，如果常量池中已经存在具有相同内容的字符串，就会直接使用该字符串的引用，从而避免了重复创建字符串对象。

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：

String a =new String("abc").intern();
String b = new String("abc").intern();
          
if(a==b) {
    System.out.print("a==b");
}

输出结果：

a==b

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，String对象中的char数组将会引用常量池中的char数组，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：
在这里插入图片描述

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。

原理回顾

在Java中，字符串常量（即直接通过字面量创建的字符串）默认会被放入字符串常量池中。
当我们使用new String("abc")创建一个新的字符串对象时，这个对象会被创建在堆内存中，并且如果此时常量池中还没有"abc"这个字符串，则会在常量池中创建一个新的字符串对象（在JDK 1.6及之前版本）。
调用intern()方法时，JVM会检查常量池中是否已经存在与当前字符串内容相同的字符串。如果存在，则返回该字符串的引用；如果不存在，则在常量池中创建一个新的字符串对象（在JDK 1.6及之前版本），并返回该字符串的引用。
在JDK 1.7及之后的版本中，字符串常量池被移动到了堆中，因此intern()方法的行为稍有不同。但核心思想仍然是检查常量池中是否存在相同内容的字符串，并返回其引用。

注意事项

String.intern()方法虽然可以节省内存，但也会带来一定的性能开销，因为每次调用都需要检查常量池。因此，在决定是否使用intern()方法时，需要权衡内存节省和性能开销之间的利弊。
String.intern()方法返回的是字符串在常量池中的引用，这意味着它返回的字符串是不可变的。如果你需要修改字符串的内容，那么你应该考虑使用StringBuilder或StringBuffer。
在多线程环境中使用String.intern()时需要特别小心，因为字符串常量池是全局共享的，并且intern()方法的调用是线程安全的。但是，如果多个线程同时调用intern()方法并期望获得相同的字符串引用，那么它们可能会因为竞态条件而得到不同的结果。因此，在多线程环境中使用String.intern()时需要谨慎处理线程同步问题。