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探索 Java 中 String 的本质，从 char 说起

探索 Java 中 String 的本质，从 char 说起

作者: Kerwong | 来源:发表于2019-03-11 00:23 被阅读0次

    String 类可以认为是 Java 语言中最为常用的类了，对于 String 的理解更是 Java 面试题的常客。
    但作为一个 Java 程序员，对于 String 是否足够了解了呢？
    本篇文章将对 String的存储，使用做一个详细的探讨。


    先来简单介绍下 String，String是 JDK 提供的位于 java.lang 中的基础类，但区别于 byte，short，int，long，char，boolean，float，double这些基本类型，String不是基本数据类型，而是一个类。
    因为是类，实例化的String 对象的空值为 null，但String是如此常用，于是 JDK 对其有特殊的优化。

    String 的存在形式

    上文提到，String是 JDK 提供的类，要学习 JDK，最好的方法就是阅读其源码。

    public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
    ...

    分析源码可以知道，Java 中String 是以 char 数组的形式存在的。

    讨论下 Java 中的 char 类型

    char 基本数据类型是 Java 中用于存储字符的。String 就是以 char数组形式存储的，要理解 String 就必须先了解 char。
    但在讨论 char 之前，还需要介绍另外两点知识。

    编码 unicode vs UTF

    unicode，称为统一字符编码，是国际上对千奇百怪字符的统一的编号。unicode 最初的 256 个字符，是继承于 ASCII 编码。例如英文字母 a，在 unicode 中编号为 97，中文 我 字，在 unicode 中的编号就是 25105。简单的说，unicode 就是统一的字符编号。但是，这么多字符如何在代码中表示呢？这便是 UTF。

    UTF，unicode 转换格式(Unicode Transformation Format)，UTF 有多种编码方式，比较常用的就是 UTF-8 和 UTF-16，这两者各有优劣，UTF-8 信息密度更高，传输、存储效率更高，UTF-16字符对齐，易于程序处理，利于优化计算效率。使用应视情形而定。

    • UTF-8 是通过变长来表示 unicode 字符的，以 byte 为单位，长度范围 1~6。例如 a 编号是 97，就用一个 byte，也就是 8 bit 来编码，而 我 的编号是 25105，一个 byte 无法编码，于是就用 2个 byte 来编码。
    • UTF-16 则是固定长度编码。统一用 2 byte，也就是 16bit 进行编码，但 unicode 当前字符集已经超出 16bit 所能编码范围了(16bit，可对 2^16 = 65536 个字符进行编码)，因此也会用 4 byte 来表示。

    内码与外码

    内码 internal encoding，外码 external encoding

    • 内码是语言运行时，char 在内存中的编码方式。
    • 外码是除了内码以外的编码，例如源码编译生成的目标文件(可执行文件、.class 文件)中的编码均为外码。

    那么 Java 中的 char 呢？

    char 是 Java 的基本类型之一，用来表示字符。
    JVM 采用的内码，是 UTF-16，也就是说 Java 中的 char 的长度为 2 byte，即 16 bit。
    但上文提到，仅 16 bit 已无法表示所有的 unicode，因此为了向下兼容，Java 的 char 保留为 16bit，若有无法用 16 bit 表示的字符，则采用 2 char，即 4 byte，32 bit 来表示。

    Java 的 class 文件采用 UTF-8 存储字符。char 在 class 中以 UTF-8 方式编码，区别于内码中的 char

    Character，关于 char 的更多

    Java 采用 UTF-16 为字符编码。但 unicode 字符集已经超出 16bit 所能表述的范围，因此有些字符会采用 2char，即 32 bit 进行编码。
    为了方便处理，Java 提供了 Character 类。Character 对 char 进行了封装，并提供了一些方法，主要是char 类型的判断（是数字还是中文）、大小写装换、比较等等。具体方法，可以参考 JDK 源码java.lang.Character。


    提到 Character，主要是强调以下几点：

    1. code point vs code unit
      码位 code point：指字符在 unicode 字符集中的编号，用 int 表示，int 为 32bit，现阶段可表示 unicode 字符集。范围为 U+0000 ~ U+10FFFF。
      code unit：对应一个 char，可由 1个或 2个 code unit 组成 code point。这两个概念主要涉及 UTF-16 实现。

    2. 基本多语言平面 Basic Multilingual Plane (BMP) vs 辅助平面 Supplementary Character
      这两个概念，是针对 unicode 字符集而言。当前 Java 支持的 unicode 字符集范围为 U+0000 ~ U+10FFFF，若超出此范围，则无法处理。
      Basic Multilingual Plane (BMP)：用于表示 U+0000 ~ U+FFFF 范围的字符。
      Supplementary Character：unicode 超出 U+FFFF 范围后，需要用 2个 char 表示，超出部分称为 Supplementary Character，由于 code point 范围最大为 U+10FFFF，所以 Supplementary Character 最多为 5bit，高位的 11bit 必须均为 0，否则表示字符超出 Java 当前字符集范围。处理单个 char时，不需要使用 Supplementary Character，当以 int 表示字符时，才需要使用。
      具体可参考维基百科 UTF-16 介绍。

    String 是 char[]

    以上分析源码，知道了 String 是以 final char[] 的形式存储的，并且知道了由于 Java 采用 UTF-16 编码 unicode，因此有些字符由 2 char 表示。

    int len1 = "1".length();  // = 1
int len2 = "我".length();  // = 1
int len3 = "😂".length(); // = 2

// 用以下方法获得真正的 unicode 字符个数
String emoji = "😂";
int len3 = emoji.codePointCount(0, emoji.length());

    String 类中还提供了一些常用的字符处理方法，将在下面的实践章节进行介绍，让我们下来看看 String 是如何在 JVM 中存储的。

    Java 中 String 的存储

    1. String 底层是 final char[]，是常量。在 JVM 中，位于字符串常量池。所谓常量，就是一旦创建，就不无更改。
    2. 只要 String 的值发生变更，Java 的处理方式是新建一个 String对象。
    3. 由于 String 是类，其实例为对象。Java 在处理对象传递是，均是引用拷贝。
    4. 对 String 的只读，任何引用均不会修改其值。

    JDK1.7 中 JVM 把String常量池从方法区中移除了；JDK1.8 中 JVM 把String常量池移入了堆中，同时取消了“永久代”，改用元空间代替（Metaspace）

    运行时常量池中的内容，主要源于 class 静态常量池，也就是编译阶段确定的常量池。但也可以通过 String.intern() 方法，手动将字符串常量放入运行时常量池中，否则 JVM 不会主动添加常量至常量池。

    为何选择常量池存放 String

    常量池是为了避免频繁的创建和销毁对象而影响系统性能，其实现了对象的共享。
    例如字符串常量池，在编译阶段就把所有的字符串文字放到一个常量池中。

    1. 节省内存空间：常量池中所有相同的字符串常量被合并，只占用一个空间。
    2. 节省运行时间：比较字符串时，== 比 equals()快。对于两个引用变量，只用==判断引用是否相等，也就可以判断实际值是否相等。

    String 何时为常量，入常量池

    何时视为常量，何时入常量池？先了解什么是常量表达式和 == 与 equals() 的区别吧。

    常量表达式

    要解决这个问题，要先理解常量表达式。
    常量表达式：指代表基本数据类型或者 String 数据类型的表达式，能在编译期间能计算出来的值，因此表达式中的均需为常量，不可为变量。
    对于常量表达式，Java 编译时会进行优化，直接赋予计算后的常量值。

    == 和 equals()

    • == ： 判断两个对象是否为同一对象，即判断引用的是否为同一个对象。
    • equals()：判断两个对象的值是否相同。类中默认的 equals() 同 == 判断，但可被自定义覆盖。

    举例

    了解了常量表达式，来看看下面的实例。

    private final static String staticA = "AAA";   // 常量
private final static String staticB = "111";   // 常量
private final static String staticC;
private final static String staticD;
private final static String staticE;
static {
    staticC = "AAA";
    staticD = "111";
    staticE = "AAA111";
}

public static void main(String[] args) {
    String str0 = "AAA111";
    String str1 = "AAA" + "111";
    String str2 = staticA + staticB;
    String str3 = staticC + staticD;
    String str4 = "AAA" + 111;
    String str5 = staticA + 111;
    String str6 = staticC + 111;
    String str7;
    str7 = staticC + staticD;
    String str8;
    str8 = str7 + "";
    
    String str9 = str8.intern();
    System.out.println(str0 == str8);   // true
}

    看如下代码，其中 str0~str8 的值均为 AAA111。
    但当彼此进行 == 操作时，却不均为 true，说明底层并未指向相同的对象。


    staticE, str0, str1, str2, str4, str5,str9 彼此进行 == 判断时，为 true。
    staticA == staticC，staticB == staticD 为 true。
    str3, str6, str7, str8 彼此均为 false。

    image
    此图为 Java8 示意，Java8 之前的运行时常量池是在方法区。


    对以上代码分析：
    staticA ~ staticE 五个变量，均为 final常量。但 staticC~staticE 与 staticA，staticB 略有区别，staticC~staticD 虽然是常量，但在编译期未被赋值，是到运行时才被赋值，因此性质类似于一个变量，不可视为编译时常量。staticE 也是变量，但赋值直接为 AAA111。

    str0~str8 部分，均为栈内定义的变量。

    1. str0 在编译时，直接赋值，执行的是常量表达式。AAA111 入常量池，str0 为其引用。
    2. str1 在编译时，是由两个常量 AAA 和 111 连接所得，值也可以确定。由于 str0 时，已经将 AAA111 放入常量池，因此 str1 复用，引用同一常量池对象。
    3. str2 是 staticA 和 staticB 连接，由于 staticA，staticB 值是常量，执行的是常量表达式，引用常量池。
    4. str3 是 staticC 和 staticD 连接，但 staticC 和 staticD 未被直接赋值，编译期无法决定值。
    5. str4 和 str5 均能在编译期决定值，因此也引用常量池
    6. str6~str8 均无法在编译期决定值，因此不引用常量池。
    7. str9 使用了 String.inertn()，若字符串已在常量池存在，则引用已有常量池对象，若不存在，则会手动将字符串放入字符串常量池，并引用。



    讨论完常量池的情况，再来看看堆的情况。

    String sA = "ABCD";
String sB = new String("ABCD");
String sC = new String("ABCD").intern();
System.out.println(sA == sB);   // false
System.out.println(sA == sC);   // true
System.out.println(sB == sC);   //false

    如上代码，当 new 一个对象时，Java 会将其放置于堆中。因此，显然不会与常量池中的引用相等，sA == sB 为 false。
    但如上文所述，如果主动调用 String.intern() 方法，则会将字符串放入常量池，此处 ABCD 字符串已存在，因此sC 直接引用常量池中的字符串对象。


    仔细分析可知，在 new String("ABCD") 时，可能创建一个或两个对象。若 new 的字符串已经存在，则仅会在堆上创建一个对象，但若字符串不存在，则会先在常量池中创建，然后再堆中创建对该字符串的引用。

    String 实践

    这部分，主要是总结 《Java 编程思想》13章字符串章节。

    JDK 中 + 的重载与 StringBuilder 优化

    由于 String 对象的不可变。每次对字符串的变更，均会创建一个新的对象，那么出现下面情况时，会产生大量的中间变量，使得代码效率降低。

    String hello = "h" + "e" + "l" + "l" + "o";

    若不进行优化，上面代码会在字符串常量池中创建 h, e, l, o, he, hel, hell, hello，这么多中间对象。
    Java 对此进行了优化。


    以下代码为例

    public static void main(String[] args) {
    String str1 = "abc";
    String str2 = str1 + "h" + "e" + "l" + "l" + "o";
}

    利用 JDK 提供的 javap -c XXXX 反编译工具，可以看到底层实现。

    0: ldc           #2                  // String abc
2: astore_1
3: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
6: dup
7: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
10: aload_1
11: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
14: ldc           #6                  // String h
16: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
19: ldc           #7                  // String e
21: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
24: ldc           #8                  // String l
26: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
29: ldc           #8                  // String l
31: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
34: ldc           #9                  // String o
36: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
39: invokevirtual #10                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
42: astore_2

    可以发现，编译器自动引入了 StringBuilder 类，在每次重载 + 时，底层均调用一次 StringBuilder.append() 方法。这减少了中间对象，提高了效率。

    虽然编译器会帮助我们优化，但用 + 效率还是比较低。这是因为每次执行字符串 +，都会创建 StringBuilder对象。

    String str1 = "";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    str1 += i;
}

    对应反编译字节码为，从 6~18 行为循环，第 10行，会创建 StringBuilder 对象。在循环中，创建对象，调用了两次 append() 方法和一次 toString() 方法，效率不高。

    0: ldc           #2                  // String
2: astore_1
3: iconst_0
4: istore_2
5: iload_2
6: bipush        100
8: if_icmpge     36
11: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
14: dup
15: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
18: aload_1
19: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
22: iload_2
23: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
26: invokevirtual #7                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
29: astore_1
30: iinc          2, 1
33: goto          5

    因此还是推荐主动创建 StringBuilder 对象。可以优化为

    String str1 = "";
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    sb.append(i);
}
str1 = sb.toString();

    反编译结果如下，可以看到在循环外创建了一次 StringBuilder，并且循环内也只调用了一次 append() 方法，最终调用了一次 toString()。

    0: ldc           #2                  // String
2: astore_1
3: new           #3                  // class java/lang/StringBuilder
6: dup
7: invokespecial #4                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
10: astore_2
11: iconst_0
12: istore_3
13: iload_3
14: bipush        100
16: if_icmpge     31
19: aload_2
20: iload_3
21: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
24: pop
25: iinc          3, 1
28: goto          13
31: aload_2
32: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
35: astore_1

    避免 toString() 无意识的递归

    Java 的所有类均继承于 Object，因此所有类均可重写 toString() 方法，toString 方法常被用于打印对象的基本信息。
    但如果在 toString 方法中，用到了 this，便会出现无限递归，报 StackOverflowError 异常。例如以下代码：

    public class InfRec {
    @Override
    public String toString() {
        return "InfRec" + this;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new InfRec());
    }
}

    应该将 this 改为 super.toString()；

    StringBuilder vs StringBuffer

    • StringBuilder：非线性安全，效率更高，于 Java 5中加入
    • StringBuffer：线性安全，使用了 synchronized 关键字。效率低，不推荐使用，即使是多线程环境，也有更好的方案。

    更多 String 使用，参考 JDK 源码

    总结

    1. String 不是基础数据类型，是一个类，默认值是 null 而非 ""。
    2. String 是由 char[] 构成，Java 内码采用 UTF-16 对 unicode 编码。因此存在一个字符长度为 2的情况，如 😂 对应的 \uD83D\uDE02 。
    3. String 为常量，一旦定义不可变更。若修改，会创建新的对象。
    4. String 传递时为引用拷贝。
    5. 通过定义常量或者常量表达式，可以于编译期确定 String的值的，会将该字符串放入 class 静态常量池，当类加载时，载入至运行时常量池。
    6. 可通过 String.intern() 方法，主动将字符串放置入常量池，若常量池已存在该字符串，会直接引用。若不主动调用 intern() 方法，JVM 不会主动将字符串放入常量池。
    7. new String("ABCD") 过程，会创建一个或两个对象，或有一个位于常量池，另一个位于堆中。
    8. 当代码涉及较多字符串 + 操作时，使用 StringBuilder 能提高效率
    9. 不要在 toString 方法中使用 this，避免无限递归，应该用 super.toString()
    10. StringBuilder 非线性安全，StringBuffer 使用了synchronized 关键字，效率低，不推荐使用。

    参考资料

    [1] 深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践（第2版），作者周志明
    [2] 《Java 编程思想》第4版，作者 Bruce Eckel
    [3] class文件常量池和运行时常量池比对， http://www.ifcoding.com/archives/284.html
    [4] 什么是字符串常量池？， http://www.importnew.com/10756.html
    [5] Java篇-String详解， TianTianBaby223，https://www.jianshu.com/p/d832752caf0c
    [6] Java常用类（二）String类详解， https://www.cnblogs.com/zhangyinhua/p/7689974.html
    [7] String类详解， https://juejin.im/post/59f6eb076fb9a045154329cc
    [8] Top 10 questions of Java Strings，http://www.programcreek.com/2013/09/top-10-faqs-of-java-strings/
    [9] Java中String详解，作者 Lolita， https://zhuanlan.zhihu.com/p/29629508

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