一. Spring源碼中的final關(guān)鍵詞

為了弄清楚String為什么具有不可變性，我們先來(lái)看看String的源碼，尤其是源碼中帶有final關(guān)鍵詞的地方。

1. final的特點(diǎn)

為了更好地理解String相關(guān)的內(nèi)容，在閱讀String源碼之前，我們先來(lái)復(fù)習(xí)一下final關(guān)鍵詞有哪些特點(diǎn)，因?yàn)樵赟tring中會(huì)涉及到很多final相關(guān)的內(nèi)容。

final關(guān)鍵詞修飾的類(lèi)不可以被其他類(lèi)繼承，但是該類(lèi)本身可以繼承其他類(lèi)，通俗的說(shuō)就是這個(gè)類(lèi)可以有父類(lèi)，但是不能有子類(lèi)；

final關(guān)鍵詞修飾的方法不可以被覆蓋重寫(xiě)，但是可以被繼承使用；

final關(guān)鍵詞修飾的基本數(shù)據(jù)類(lèi)型變量稱(chēng)為常量，只能被賦值一次；

final關(guān)鍵詞修飾的引用數(shù)據(jù)類(lèi)型的變量值為地址值，地址值不能改變，但是地址內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象可以被改變；

final關(guān)鍵詞修飾的成員變量，需要在創(chuàng)建對(duì)象前賦值，否則會(huì)報(bào)錯(cuò)(即需要在定義時(shí)直接賦值，如果是在構(gòu)造方法中賦值，則多個(gè)構(gòu)造方法均需賦值)。

復(fù)習(xí)了final的特點(diǎn)之后，接下來(lái)我們就可以閱讀String的源碼了。

2. String源碼解讀

接下來(lái)就請(qǐng)大家請(qǐng)跟著小編來(lái)看看String源碼中關(guān)于不可變性的內(nèi)容吧。

2.1 final修飾的String類(lèi)

/**
 * ......其他略......
 *
 * Strings are constant; their values cannot be changed after they
 * are created. String buffers support mutable strings.
 * Because String objects are immutable they can be shared. For example:
 * 
 * ......其他略......
 */
public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    ......

先對(duì)上面的源碼及其注釋進(jìn)行簡(jiǎn)單的解釋?zhuān)?/p>

• final：請(qǐng)參考第1小節(jié)對(duì)final特點(diǎn)的介紹；
• Serializable：用于序列化；
• Comparable：默認(rèn)的比較器；
• CharSequence: 提供對(duì)字符序列進(jìn)行統(tǒng)一、只讀的操作。

從這一段源碼及注釋中，我們可以得出如下結(jié)論：

• String類(lèi)用final關(guān)鍵字修飾，說(shuō)明String不可被繼承；
• String字符串是常量，字符串的值一旦被創(chuàng)建，就不能被改變；
• String字符串緩沖區(qū)支持可變字符串；
• 因?yàn)镾tring對(duì)象是不可變的，所以它們是可以被共享的。

2.2 final修飾的value[]屬性

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

從源碼中可以看出，value[]是一個(gè)私有的字符數(shù)組，String類(lèi)其實(shí)就是通過(guò)這個(gè)char數(shù)組來(lái)保存字符串內(nèi)容的。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們定義的字符串會(huì)被拆成一個(gè)一個(gè)的字符，這些字符都被存放在這個(gè)value字符數(shù)組里面。

這里的value[]數(shù)組被final修飾，初始化之后就不能再被更改。但是大家注意，我們這里說(shuō)的value[]不可變，指的是value的引用地址不可變，但是value數(shù)組里面的數(shù)據(jù)元素其實(shí)是可變的！ 這是因?yàn)関alue是數(shù)組類(lèi)型，根據(jù)我們之前學(xué)過(guò)的知識(shí)，value的引用地址會(huì)分配在棧中 ，而其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)是在常量池中保存的。所以我們說(shuō)String不可變，指的就是value在棧中的引用地址不可變，而不是說(shuō)常量池中數(shù)組本身的數(shù)據(jù)元素不可變。

另外我們要注意，Java中的字符串常量池，用來(lái)存儲(chǔ)字符串字面量！ 但是由于JDK版本的不同，常量池的位置也不同：

JDK 6 及以下版本的字符串常量池是在方法區(qū)(Perm Gen)中，此時(shí)常量池中存儲(chǔ)的是字符串對(duì)象；在 JDK 8.0 中，方法區(qū)(永久代被元空間取代了；

JDK 7、8以后的字符串常量池被轉(zhuǎn)移到了堆中，此時(shí)常量池存儲(chǔ)的就是字符串對(duì)象的引用，而不是字符串對(duì)象本身。

至此，就帶各位把String類(lèi)中的核心源碼分析完了，接下來(lái)我們?cè)龠M(jìn)一步分析String不可變的原因，及其他底層原理設(shè)計(jì)。

二. String的不可變性

1. 實(shí)驗(yàn)案例

了解了上面的這些核心源碼之后，接下來(lái)再帶各位來(lái)驗(yàn)證一下，看看String到底能不能變！我先給各位來(lái)一段案例代碼，代碼案例如下圖所示。

結(jié)果s的內(nèi)容變了，好像是啪啪打臉了？？？！?。≌厥?，不是說(shuō)了String不可變嗎？怎么這么快就翻車(chē)打臉了？別急，讓我們好好來(lái)分析一下。

2. 結(jié)果剖析

首先我們從結(jié)果上來(lái)看String s 變量的結(jié)果好像改變了，但為什么我們又說(shuō)String是不可變的呢？

要想明白這個(gè)問(wèn)題，我們得先弄清楚一個(gè)點(diǎn)，即引用和值的區(qū)別！在上面的代碼中，我們先是創(chuàng)建了一個(gè) "yiyige" 為內(nèi)容的字符串引用s，s其實(shí)先是指向了value對(duì)象，而value對(duì)象則指向存儲(chǔ)了 "y，i，y，i，g，e" 字符的字符數(shù)組。因?yàn)関alue被final修飾，所以value的值不可被更改。因此，上面代碼中改變的其實(shí)是s的引用指向，而不是改變了String對(duì)象的值 。 換句話說(shuō)，上面實(shí)例中 s的值 只是 value的引用地址，并不是String內(nèi)容本身！當(dāng)我們執(zhí)行 s = "yyg"; 語(yǔ)句時(shí)，Java中會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的字面量對(duì)象 "yyg"，而原來(lái)的 "yiyige" 字面量對(duì)象依然存在于內(nèi)存的intern緩存池中。 在Java中，因?yàn)閿?shù)組也是對(duì)象， 所以value中存儲(chǔ)的也只是一個(gè)引用，它指向一個(gè)真正的數(shù)組對(duì)象。在執(zhí)行了String s = “yiyige”; 這句代碼之后，真正的內(nèi)存布局應(yīng)該是下圖這樣的：

因?yàn)関alue是String封裝的字符數(shù)組，value中的所有字符都屬于String這個(gè)對(duì)象。由于value是private的，且沒(méi)有提供setValue等公共方法來(lái)修改這個(gè)value值，所以在String類(lèi)的外部是無(wú)法修改value值的，也就是說(shuō)一旦初始化就不能被修改。此外，value變量是final的， 也就是說(shuō)在String類(lèi)內(nèi)部，一旦這個(gè)值初始化了，value這個(gè)變量所引用的地址就不會(huì)改變了，即一直引用同一個(gè)對(duì)象。正是基于這一層，所以說(shuō)String對(duì)象是不可變的對(duì)象。 但其實(shí)value所引用對(duì)象的內(nèi)容完全可以發(fā)生改變，我們可以利用反射來(lái)消除String類(lèi)對(duì)象的不可變特性 。

所以String的不可變性，指的是value在棧中的引用地址不可變，而不是說(shuō)常量池中array本身的數(shù)據(jù)元素不可變！

而String對(duì)象的改變實(shí)際上是通過(guò)內(nèi)存地址的 “斷開(kāi)-連接” 變化來(lái)完成的，這個(gè)過(guò)程中原字符串中的內(nèi)容并沒(méi)有任何的改變。String s = "yiyige"; 和 s = "yyg"; 實(shí)質(zhì)上是開(kāi)辟了2個(gè)內(nèi)存空間，s 只是由原來(lái)指向 "yiyige" 變?yōu)橹赶?"yyg" 而已，而其原來(lái)的字符串內(nèi)容，是沒(méi)有改變的，如下圖所示。

因此，我們?cè)谝院蟮拈_(kāi)發(fā)中，如果要經(jīng)常修改字符串的內(nèi)容，請(qǐng)盡量少用String，因?yàn)樽址闹赶?ldquo;斷開(kāi)-連接”會(huì)大大降低性能，建議使用：StringBuilder、StringBuffer。

那么String一定不可變嗎？有沒(méi)有辦法讓String真的可變呢？我們繼續(xù)往下學(xué)習(xí)！

三. String真的不可變嗎？

1. 實(shí)驗(yàn)案例

我在前面的章節(jié)中給大家說(shuō)，String的不可變，其實(shí)指的是String類(lèi)中value屬性在棧中的引用地址不可變，而不是說(shuō)常量池中array本身的數(shù)據(jù)元素不可變！也就是說(shuō)String字符串的內(nèi)容其實(shí)是可變的！那怎么實(shí)現(xiàn)呢？利用反射就可以實(shí)現(xiàn)，我們通過(guò)一個(gè)案例來(lái)證明一下。

try {
    String str = "yyg";
    System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));

    Class stringClass = str.getClass();
    //獲取String類(lèi)中的value屬性
    Field field = stringClass.getDeclaredField("value");
    //設(shè)置私有成員的可訪問(wèn)性,進(jìn)行暴力反射
    field.setAccessible(true);
    //獲取value數(shù)組中的內(nèi)容
    char[] value = (char[]) field.get(str);
    System.out.println("value=" + Arrays.toString(value));

    value[1] = 'z';
    System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
    e.printStackTrace();
}

2. 結(jié)果剖析

上面案例的執(zhí)行結(jié)果如下圖所示：

我們可以看到，String字符串的字符數(shù)組可以通過(guò)反射進(jìn)行修改，導(dǎo)致字符串的“內(nèi)容”真的發(fā)生了變化！ 并且我們又利用底層的java.lang.System#identityHashCode()方法(不管是否重寫(xiě)了hashCode方法)獲取了對(duì)象的唯一哈希值，該方法獲取的hash值與hashCode()方法是一樣的。我們可以看到兩個(gè)字符串的唯一性hash值是一樣的，證明字符串引用地址沒(méi)有發(fā)生改變！所以在這里，我們并不是像之前那樣創(chuàng)建了一個(gè)新的String字符串，而是真的改變了String的內(nèi)容。這個(gè)代碼案例進(jìn)一步說(shuō)明，String類(lèi)的不可變指的是中value屬性在棧中的引用地址不可變，而不是說(shuō)常量池中array本身的數(shù)據(jù)元素不可變！也就是說(shuō)String字符串的內(nèi)容其實(shí)是可變的！

四. 結(jié)語(yǔ)

String作為Java中使用最為廣泛的一個(gè)類(lèi)，之所以設(shè)計(jì)為不可變，主要是出于效率與安全性方面考慮。這種設(shè)計(jì)有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。

1. 不可變性的優(yōu)點(diǎn)

只有當(dāng)字符串是不可變的，字符串池才有可能實(shí)現(xiàn)。 字符串池的實(shí)現(xiàn)可以在運(yùn)行時(shí)節(jié)約很多heap空間，因?yàn)椴煌淖址枚伎梢灾赶虺刂械耐粋€(gè)字符串。但如果字符串是可變的，如果一個(gè)引用變量改變了字符串的值，那么其它指向這個(gè)值的變量?jī)?nèi)容也會(huì)跟著一起改變。

如果字符串是可變的，那么可能會(huì)引起很?chē)?yán)重的安全問(wèn)題。 譬如，數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)名、密碼都是以字符串的形式傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，以獲得數(shù)據(jù)庫(kù)的連接；或者在socket編程中，主機(jī)名和端口都是以字符串的形式傳入。因?yàn)樽址遣豢勺兊?，所以它的值是不可改變的，否則黑客們可以鉆到空子，改變字符串指向的對(duì)象值，造成安全漏洞。

因?yàn)樽址遣豢勺兊模?/strong> 在物理上是絕對(duì)的線程安全 ，所以同一個(gè)字符串實(shí)例可以被多個(gè)線程共享。 由于不可變對(duì)象不可能被修改，因此能夠在多線程中被任意自由訪問(wèn)而不導(dǎo)致線程安全問(wèn)題，不需要多余的同步操作。即在并發(fā)場(chǎng)景下，多個(gè)線程同時(shí)讀一個(gè)資源，并不會(huì)引發(fā)競(jìng)態(tài)條件，只有對(duì)資源進(jìn)行讀寫(xiě)才有危險(xiǎn)。不可變對(duì)象不能被寫(xiě)，所以線程安全。

類(lèi)加載器要用到字符串，不可變性也提供了安全性，以便正確的類(lèi)可以被加載。 譬如你想加載java.sql.Connection類(lèi)，而這個(gè)值被改成了myhacked.Connection，那么會(huì)對(duì)你的數(shù)據(jù)庫(kù)造成不可知的破壞。

因?yàn)樽址遣豢勺兊模栽谧址畬?duì)象創(chuàng)建的時(shí)候hashCode()就被執(zhí)行并把執(zhí)行結(jié)果緩存了，不需要重新計(jì)算。這就使得字符串很適合作為Map中的鍵，所以字符串的處理速度要快過(guò)其它的鍵對(duì)象，這就是HashMap中的鍵往往都使用字符串的原因，當(dāng)我們需要頻繁讀取訪問(wèn)任意鍵值對(duì)時(shí)，能夠節(jié)省很多的CPU計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)。

Sting的不可變性會(huì)提高執(zhí)行性能和效率，基于Sting不可變，我們就可以用緩存池將String對(duì)象緩存起來(lái)，同時(shí)把一個(gè)String對(duì)象的地址賦值給多個(gè)String引用，這樣可以安全保證多個(gè)變量共享同一個(gè)對(duì)象。因此，構(gòu)造一萬(wàn)個(gè)string s = "xyz"，實(shí)際上得到都是同一個(gè)字符串對(duì)象，避免了很多不必要的空間開(kāi)銷(xiāo)。