JDK1.8源码(三)——java.lang.String 类

　　String 类也是java.lang 包下的一个类，算是日常编码中最常用的一个类了，那么本篇博客就来详细的介绍 String 类。

1、String 类的定义

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {}

　　和上一篇博客所讲的 Integer 类一样，这也是一个用 final 声明的常量类，不能被任何类所继承,而且一旦一个String对象被创建, 包含在这个对象中的字符序列是不可改变的, 包括该类后续的所有方法都是不能修改该对象的，直至该对象被销毁，这是我们需要特别注意的（该类的一些方法看似改变了字符串，其实内部都是创建一个新的字符串，下面讲解方法时会介绍）。接着实现了 Serializable接口，这是一个序列化标志接口，还实现了 Comparable 接口，用于比较两个字符串的大小（按顺序比较单个字符的ASCII码），后面会有具体方法实现；最后实现了 CharSequence 接口，表示是一个有序字符的集合，相应的方法后面也会介绍。

2、字段属性

/**用来存储字符串  */
private final char value[];

/** 缓存字符串的哈希码 */
private int hash; // Default to 0

/** 实现序列化的标识 */
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;

　　一个 String 字符串实际上是一个 char 数组。

3、构造方法

　　String 类的构造方法很多。可以通过初始化一个字符串，或者字符数组，或者字节数组等等来创建一个 String 对象。

　　

String str1 = "abc";//注意这种字面量声明的区别，文末会详细介绍
String str2 = new String("abc");
String str3 = new String(new char[]{'a','b','c'});

4、equals(Object anObject) 方法

    public boolean equals(Object anObject) {
        if (this == anObject) {
            return true;
        }
        if (anObject instanceof String) {
            String anotherString = (String)anObject;
            int n = value.length;
            if (n == anotherString.value.length) {
                char v1[] = value;
                char v2[] = anotherString.value;
                int i = 0;
                while (n-- != 0) {
                    if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                    i++;
                }
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

　　String 类重写了 equals 方法，比较的是组成字符串的每一个字符是否相同，如果都相同则返回true，否则返回false。

5、hashCode() 方法

    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;
    }

　　String 类的 hashCode 算法很简单，主要就是中间的 for 循环，计算公式如下：

s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]

　　s 数组即源码中的 val 数组，也就是构成字符串的字符数组。这里有个数字 31 ，为什么选择31作为乘积因子，而且没有用一个常量来声明？主要原因有两个：

　　①、31是一个不大不小的质数，是作为 hashCode 乘子的优选质数之一。

　　②、31可以被 JVM 优化，31 * i = (i << 5) - i。因为移位运算比乘法运行更快更省性能。

　　具体解释可以参考这篇文章。

6、charAt(int index) 方法

    public char charAt(int index) {
        //如果传入的索引大于字符串的长度或者小于0，直接抛出索引越界异常
        if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return value[index];//返回指定索引的单个字符
    }

　　我们知道一个字符串是由一个字符数组组成，这个方法是通过传入的索引（数组下标），返回指定索引的单个字符。

7、compareTo(String anotherString) 和 compareToIgnoreCase(String str) 方法

　　我们先看看 compareTo 方法：

    public int compareTo(String anotherString) {
        int len1 = value.length;
        int len2 = anotherString.value.length;
        int lim = Math.min(len1, len2);
        char v1[] = value;
        char v2[] = anotherString.value;

        int k = 0;
        while (k < lim) {
            char c1 = v1[k];
            char c2 = v2[k];
            if (c1 != c2) {
                return c1 - c2;
            }
            k++;
        }
        return len1 - len2;
    }

　　源码也很好理解，该方法是按字母顺序比较两个字符串，是基于字符串中每个字符的 Unicode 值。当两个字符串某个位置的字符不同时，返回的是这一位置的字符 Unicode 值之差，当两个字符串都相同时，返回两个字符串长度之差。

 　　compareToIgnoreCase() 方法在 compareTo 方法的基础上忽略大小写，我们知道大写字母是比小写字母的Unicode值小32的，底层实现是先都转换成大写比较，然后都转换成小写进行比较。

8、concat(String str) 方法

　　该方法是将指定的字符串连接到此字符串的末尾。

    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);
    }

　　首先判断要拼接的字符串长度是否为0，如果为0，则直接返回原字符串。如果不为0，则通过 Arrays 工具类（后面会详细介绍这个工具类）的copyOf方法创建一个新的字符数组，长度为原字符串和要拼接的字符串之和，前面填充原字符串，后面为空。接着在通过 getChars 方法将要拼接的字符串放入新字符串后面为空的位置。

　　注意：返回值是 new String(buf, true)，也就是重新通过 new 关键字创建了一个新的字符串，原字符串是不变的。这也是前面我们说的一旦一个String对象被创建, 包含在这个对象中的字符序列是不可改变的。

9、indexOf(int ch) 和 indexOf(int ch, int fromIndex) 方法 

　　indexOf(int ch)，参数 ch 其实是字符的 Unicode 值，这里也可以放单个字符（默认转成int），作用是返回指定字符第一次出现的此字符串中的索引。其内部是调用 indexOf(int ch, int fromIndex)，只不过这里的 fromIndex =0 ，因为是从 0 开始搜索；而 indexOf(int ch, int fromIndex) 作用也是返回首次出现的此字符串内的索引，但是从指定索引处开始搜索。

    public int indexOf(int ch) {
        return indexOf(ch, 0);//从第一个字符开始搜索
    }

public int indexOf(int ch, int fromIndex) {
    final int max = value.length;//max等于字符的长度
    if (fromIndex < 0) {//指定索引的位置如果小于0，默认从 0 开始搜索
        fromIndex = 0;
    } else if (fromIndex >= max) {
        //如果指定索引值大于等于字符的长度（因为是数组，下标最多只能是max-1），直接返回-1
        return -1;
    }

    if (ch < Character.MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT) {//一个char占用两个字节，如果ch小于2的16次方（65536），绝大多数字符都在此范围内
        final char[] value = this.value;
        for (int i = fromIndex; i < max; i++) {//for循环依次判断字符串每个字符是否和指定字符相等
            if (value[i] == ch) {
                return i;//存在相等的字符，返回第一次出现该字符的索引位置，并终止循环
            }
        }
        return -1;//不存在相等的字符，则返回 -1
    } else {//当字符大于 65536时，处理的少数情况，该方法会首先判断是否是有效字符，然后依次进行比较
        return indexOfSupplementary(ch, fromIndex);
    }
}

10、split(String regex) 和 split(String regex, int limit) 方法

　　split(String regex) 将该字符串拆分为给定正则表达式的匹配。split(String regex , int limit) 也是一样，不过对于 limit 的取值有三种情况：

　　①、limit > 0 ，则pattern（模式）应用n - 1 次

String str = "a,b,c";
String[] c1 = str.split(",", 2);
System.out.println(c1.length);//2
System.out.println(Arrays.toString(c1));//{"a","b,c"}

　　②、limit = 0 ，则pattern（模式）应用无限次并且省略末尾的空字串

String str2 = "a,b,c,,";
String[] c2 = str2.split(",", 0);
System.out.println(c2.length);//3
System.out.println(Arrays.toString(c2));//{"a","b","c"}

　　③、limit < 0 ，则pattern（模式）应用无限次

String str2 = "a,b,c,,";
String[] c2 = str2.split(",", -1);
System.out.println(c2.length);//5
System.out.println(Arrays.toString(c2));//{"a","b","c","",""}

　　下面我们看看底层的源码实现。对于 split(String regex) 没什么好说的，内部调用  split(regex, 0) 方法：

    public String[] split(String regex) {
        return split(regex, 0);
    }

　　重点看 split(String regex, int limit) 的方法实现：

public String[] split(String regex, int limit) {
    /* 1、单个字符，且不是".$|()[{^?*+\"其中一个
     * 2、两个字符，第一个是""，第二个大小写字母或者数字
     */
    char ch = 0;
    if (((regex.value.length == 1 &&
         ".$|()[{^?*+\".indexOf(ch = regex.charAt(0)) == -1) ||
         (regex.length() == 2 &&
          regex.charAt(0) == '\' &&
          (((ch = regex.charAt(1))-'0')|('9'-ch)) < 0 &&
          ((ch-'a')|('z'-ch)) < 0 &&
          ((ch-'A')|('Z'-ch)) < 0)) &&
        (ch < Character.MIN_HIGH_SURROGATE ||
         ch > Character.MAX_LOW_SURROGATE))
    {
        int off = 0;
        int next = 0;
        boolean limited = limit > 0;//大于0，limited==true,反之limited==false
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
        while ((next = indexOf(ch, off)) != -1) {
            //当参数limit<=0 或者 集合list的长度小于 limit-1
            if (!limited || list.size() < limit - 1) {
                list.add(substring(off, next));
                off = next + 1;
            } else {//判断最后一个list.size() == limit - 1
                list.add(substring(off, value.length));
                off = value.length;
                break;
            }
        }
        //如果没有一个能匹配的，返回一个新的字符串，内容和原来的一样
        if (off == 0)
            return new String[]{this};

        // 当 limit<=0 时，limited==false,或者集合的长度 小于 limit是，截取添加剩下的字符串
        if (!limited || list.size() < limit)
            list.add(substring(off, value.length));

        // 当 limit == 0 时，如果末尾添加的元素为空（长度为0），则集合长度不断减1，直到末尾不为空
        int resultSize = list.size();
        if (limit == 0) {
            while (resultSize > 0 && list.get(resultSize - 1).length() == 0) {
                resultSize--;
            }
        }
        String[] result = new String[resultSize];
        return list.subList(0, resultSize).toArray(result);
    }
    return Pattern.compile(regex).split(this, limit);
}

11、replace(char oldChar, char newChar) 和 String replaceAll(String regex, String replacement) 方法

　　①、replace(char oldChar, char newChar) ：将原字符串中所有的oldChar字符都替换成newChar字符，返回一个新的字符串。

　　②、String replaceAll(String regex, String replacement)：将匹配正则表达式regex的匹配项都替换成replacement字符串，返回一个新的字符串。

12、substring(int beginIndex) 和 substring(int beginIndex, int endIndex) 方法

　　①、substring(int beginIndex)：返回一个从索引 beginIndex 开始一直到结尾的子字符串。

public String substring(int beginIndex) {
    if (beginIndex < 0) {//如果索引小于0，直接抛出异常
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    int subLen = value.length - beginIndex;//subLen等于字符串长度减去索引
    if (subLen < 0) {//如果subLen小于0，也是直接抛出异常
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    //1、如果索引值beginIdex == 0，直接返回原字符串
    //2、如果不等于0，则返回从beginIndex开始，一直到结尾
    return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

　　②、 substring(int beginIndex, int endIndex)：返回一个从索引 beginIndex 开始，到 endIndex 结尾的子字符串。

13、常量池

 　　在前面讲解构造函数的时候，我们知道最常见的两种声明一个字符串对象的形式有两种：

　　①、通过“字面量”的形式直接赋值

String str = "hello";

　　②、通过 new 关键字调用构造函数创建对象

String str = new String("hello");

　　那么这两种声明方式有什么区别呢？在讲解之前，我们先介绍 JDK1.7（不包括1.7）以前的 JVM 的内存分布：

　　

　　①、程序计数器：也称为 PC 寄存器，保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令。线程私有。

　　②、虚拟机栈：基本数据类型、对象的引用都存放在这。线程私有。

　　③、本地方法栈：虚拟机栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的。在JVM规范中，并没有对本地方法栈的具体实现方法以及数据结构作强制规定，虚拟机可以自由实现它。在HotSopt虚拟机中直接就把本地方法栈和虚拟机栈合二为一。

　　④、方法区：存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。注意：在Class文件中除了类的字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池，用来存储编译期间生成的字面量和符号引用。

　　⑤、堆：用来存储对象本身的以及数组（当然，数组引用是存放在Java栈中的）。

　　在 JDK1.7 以后，方法区的常量池被移除放到堆中了，如下：

　　

　　常量池：Java运行时会维护一个String Pool（String池）， 也叫“字符串缓冲区”。String池用来存放运行时中产生的各种字符串，并且池中的字符串的内容不重复。

　　①、字面量创建字符串或者纯字符串（常量）拼接字符串会先在字符串池中找，看是否有相等的对象，没有的话就在字符串池创建该对象；有的话则直接用池中的引用，避免重复创建对象。

　　②、new关键字创建时，直接在堆中创建一个新对象，变量所引用的都是这个新对象的地址，但是如果通过new关键字创建的字符串内容在常量池中存在了，那么会由堆在指向常量池的对应字符；但是反过来，如果通过new关键字创建的字符串对象在常量池中没有，那么通过new关键词创建的字符串对象是不会额外在常量池中维护的。

　　③、使用包含变量表达式来创建String对象，则不仅会检查维护字符串池，还会在堆区创建这个对象，最后是指向堆内存的对象。

String str1 = "hello";
String str2 = "hello";
String str3 = new String("hello");
System.out.println(str1==str2);//true
System.out.println(str1==str3);//fasle
System.out.println(str2==str3);//fasle
System.out.println(str1.equals(str2));//true
System.out.println(str1.equals(str3));//true
System.out.println(str2.equals(str3));//true

　　对于上面的情况，首先 String str1 = "hello"，会先到常量池中检查是否有“hello”的存在，发现是没有的，于是在常量池中创建“hello”对象，并将常量池中的引用赋值给str1；第二个字面量 String str2 = "hello"，在常量池中检测到该对象了，直接将引用赋值给str2；第三个是通过new关键字创建的对象，常量池中有了该对象了，不用在常量池中创建，然后在堆中创建该对象后，将堆中对象的引用赋值给str3，再将该对象指向常量池。如下图所示：

　　

　　注意：看上图红色的箭头，通过 new 关键字创建的字符串对象，如果常量池中存在了，会将堆中创建的对象指向常量池的引用。我们可以通过文章末尾介绍的intern()方法来验证。

　　使用包含变量表达式创建对象：

String str1 = "hello";
String str2 = "helloworld";
String str3 = str1+"world";//编译器不能确定为常量(会在堆区创建一个String对象)
String str4 = "hello"+"world";//编译器确定为常量，直接到常量池中引用

System.out.println(str2==str3);//fasle
System.out.println(str2==str4);//true
System.out.println(str3==str4);//fasle

　　str3 由于含有变量str1，编译器不能确定是常量，会在堆区中创建一个String对象。而str4是两个常量相加，直接引用常量池中的对象即可。

14、intern() 方法 

　　这是一个本地方法：

public native String intern();

　　当调用intern方法时，如果池中已经包含一个与该String确定的字符串相同equals(Object)的字符串，则返回该字符串。否则，将此String对象添加到池中，并返回此对象的引用。

　　这句话什么意思呢？就是说调用一个String对象的intern()方法，如果常量池中有该对象了，直接返回该字符串的引用（存在堆中就返回堆中，存在池中就返回池中），如果没有，则将该对象添加到池中，并返回池中的引用。

String str1 = "hello";//字面量 只会在常量池中创建对象
String str2 = str1.intern();
System.out.println(str1==str2);//true

String str3 = new String("world");//new 关键字只会在堆中创建对象
String str4 = str3.intern();
System.out.println(str3 == str4);//false

String str5 = str1 + str2;//变量拼接的字符串，会在常量池中和堆中都创建对象
String str6 = str5.intern();//这里由于池中已经有对象了，直接返回的是对象本身，也就是堆中的对象
System.out.println(str5 == str6);//true

String str7 = "hello1" + "world1";//常量拼接的字符串，只会在常量池中创建对象
String str8 = str7.intern();
System.out.println(str7 == str8);//true

15、String 真的不可变吗? 

　　前面我们介绍了，String 类是用 final 关键字修饰的，所以我们认为其是不可变对象。但是真的不可变吗？

　　每个字符串都是由许多单个字符组成的，我们知道其源码是由 char[] value 字符数组构成。

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

　　value 被 final 修饰，只能保证引用不被改变，但是 value 所指向的堆中的数组，才是真实的数据，只要能够操作堆中的数组，依旧能改变数据。而且 value 是基本类型构成，那么一定是可变的，即使被声明为 private，我们也可以通过反射来改变。

String str = "vae";
//打印原字符串
System.out.println(str);//vae
//获取String类中的value字段 
Field fieldStr = String.class.getDeclaredField("value");
//因为value是private声明的，这里修改其访问权限
fieldStr.setAccessible(true);
//获取str对象上的value属性的值
char[] value = (char[]) fieldStr.get(str);
//将第一个字符修改为 V(小写改大写)
value[0] = 'V';
//打印修改之后的字符串
System.out.println(str);//Vae

　　通过前后两次打印的结果，我们可以看到 String 被改变了，但是在代码里，几乎不会使用反射的机制去操作 String 字符串，所以，我们会认为 String 类型是不可变的。

　　那么，String 类为什么要这样设计成不可变呢？我们可以从性能以及安全方面来考虑：

• 安全

  • 引发安全问题，譬如，数据库的用户名、密码都是以字符串的形式传入来获得数据库的连接，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。

  • 保证线程安全，在并发场景下，多个线程同时读写资源时，会引竞态条件，由于 String 是不可变的，不会引发线程的问题而保证了线程。

  • HashCode，当 String 被创建出来的时候，hashcode也会随之被缓存，hashcode的计算与value有关，若 String 可变，那么 hashcode 也会随之变化，针对于 Map、Set 等容器，他们的键值需要保证唯一性和一致性，因此，String 的不可变性使其比其他对象更适合当容器的键值。

• 性能

  • 当字符串是不可变时，字符串常量池才有意义。字符串常量池的出现，可以减少创建相同字面量的字符串，让不同的引用指向池中同一个字符串，为运行时节约很多的堆内存。若字符串可变，字符串常量池失去意义，基于常量池的String.intern()方法也失效，每次创建新的 String 将在堆内开辟出新的空间，占据更多的内存。

参考文档：

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/lang/String.html

https://segmentfault.com/a/1190000009914328