Java String源碼分析
什么是不可變對象？
眾所周知， 在Java中， String類是不可變的。那么到底什么是不可變的對象呢？ 可以這樣認為：如果一個對象，在它創建完成之后，不能再改變它的狀態，那么這個對象就是不可變的。不能改變狀態的意思是，不能改變對象內的成員變量，包括基本數據類型的值不能改變，引用類型的變量不能指向其他的對象，引用類型指向的對象的狀態也不能改變。
區分對象和對象的引用
對于Java初學者， 對于String是不可變對象總是存有疑惑。看下面代碼：
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String s = "ABCabc"; System.out.println("s = " + s); s = "123456"; System.out.println("s = " + s); |
打印結果為：
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s = ABCabcs = 123456 |
首先創建一個String對象s，然后讓s的值為“ABCabc”， 然后又讓s的值為“123456”。 從打印結果可以看出，s的值確實改變了。那么怎么還說String對象是不可變的呢？ 其實這里存在一個誤區： s只是一個String對象的引用，并不是對象本身。對象在內存中是一塊內存區，成員變量越多，這塊內存區占的空間越大。引用只是一個4字節的數據，里面存放了它所指向的對象的地址，通過這個地址可以訪問對象。
也就是說，s只是一個引用，它指向了一個具體的對象，當s=“123456”; 這句代碼執行過之后，又創建了一個新的對象“123456”， 而引用s重新指向了這個心的對象，原來的對象“ABCabc”還在內存中存在，并沒有改變。內存結構如下圖所示：
Java和C++的一個不同點是， 在Java中不可能直接操作對象本身，所有的對象都由一個引用指向，必須通過這個引用才能訪問對象本身，包括獲取成員變量的值，改變對象的成員變量，調用對象的方法等。而在C++中存在引用，對象和指針三個東西，這三個東西都可以訪問對象。其實，Java中的引用和C++中的指針在概念上是相似的，他們都是存放的對象在內存中的地址值，只是在Java中，引用喪失了部分靈活性，比如Java中的引用不能像C++中的指針那樣進行加減運算。
為什么String對象是不可變的？
要理解String的不可變性，首先看一下String類中都有哪些成員變量。 在JDK1.6中，String的成員變量有以下幾個：
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public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence { /** The value is used for character storage. */ private final char value[]; /** The offset is the first index of the storage that is used. */ private final int offset; /** The count is the number of characters in the String. */ private final int count; /** Cache the hash code for the string */ private int hash; // Default to 0 |
在JDK1.7中，String類做了一些改動，主要是改變了substring方法執行時的行為，這和本文的主題不相關。JDK1.7中String類的主要成員變量就剩下了兩個：
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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 |
由以上的代碼可以看出， 在Java中String類其實就是對字符數組的封裝。JDK6中， value是String封裝的數組，offset是String在這個value數組中的起始位置，count是String所占的字符的個數。在JDK7中，只有一個value變量，也就是value中的所有字符都是屬于String這個對象的。這個改變不影響本文的討論。 除此之外還有一個hash成員變量，是該String對象的哈希值的緩存，這個成員變量也和本文的討論無關。在Java中，數組也是對象（可以參考我之前的文章java中數組的特性）。 所以value也只是一個引用，它指向一個真正的數組對象。其實執行了String s = “ABCabc”; 這句代碼之后，真正的內存布局應該是這樣的：
value，offset和count這三個變量都是private的，并且沒有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法來修改這些值，所以在String類的外部無法修改String。也就是說一旦初始化就不能修改， 并且在String類的外部不能訪問這三個成員。此外，value，offset和count這三個變量都是final的， 也就是說在String類內部，一旦這三個值初始化了， 也不能被改變。所以可以認為String對象是不可變的了。
那么在String中，明明存在一些方法，調用他們可以得到改變后的值。這些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如如下代碼：
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String a = "ABCabc"; System.out.println("a = " + a); a = a.replace('A', 'a'); System.out.println("a = " + a); |
打印結果為：
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a = ABCabca = aBCabc |
那么a的值看似改變了，其實也是同樣的誤區。再次說明， a只是一個引用， 不是真正的字符串對象，在調用a.replace('A', 'a')時， 方法內部創建了一個新的String對象，并把這個心的對象重新賦給了引用a。String中replace方法的源碼可以說明問題：
讀者可以自己查看其他方法，都是在方法內部重新創建新的String對象，并且返回這個新的對象，原來的對象是不會被改變的。這也是為什么像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的原因。也是為什么像下面這樣調用不會改變對象的值：
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String ss = "123456"; System.out.println("ss = " + ss); ss.replace('1', '0'); System.out.println("ss = " + ss); |
打印結果：
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ss = 123456ss = 123456 |
String對象真的不可變嗎？
從上文可知String的成員變量是private final 的，也就是初始化之后不可改變。那么在這幾個成員中， value比較特殊，因為他是一個引用變量，而不是真正的對象。value是final修飾的，也就是說final不能再指向其他數組對象，那么我能改變value指向的數組嗎？ 比如將數組中的某個位置上的字符變為下劃線“_”。 至少在我們自己寫的普通代碼中不能夠做到，因為我們根本不能夠訪問到這個value引用，更不能通過這個引用去修改數組。
那么用什么方式可以訪問私有成員呢？ 沒錯，用反射， 可以反射出String對象中的value屬性， 進而改變通過獲得的value引用改變數組的結構。下面是實例代碼：
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public static void testReflection() throws Exception { //創建字符串"Hello World"， 并賦給引用s String s = "Hello World"; System.out.println("s = " + s); //Hello World //獲取String類中的value字段 Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value"); //改變value屬性的訪問權限 valueFieldOfString.setAccessible(true); //獲取s對象上的value屬性的值 char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s); //改變value所引用的數組中的第5個字符 value[5] = '_'; System.out.println("s = " + s); //Hello_World } |
打印結果為：
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s = Hello Worlds = Hello_World |
在這個過程中，s始終引用的同一個String對象，但是再反射前后，這個String對象發生了變化， 也就是說，通過反射是可以修改所謂的“不可變”對象的。但是一般我們不這么做。這個反射的實例還可以說明一個問題：如果一個對象，他組合的其他對象的狀態是可以改變的，那么這個對象很可能不是不可變對象。例如一個Car對象，它組合了一個Wheel對象，雖然這個Wheel對象聲明成了private final 的，但是這個Wheel對象內部的狀態可以改變， 那么就不能很好的保證Car對象不可變。
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