004 String

本文主要是介绍004 String，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

String设计为不可变原因

String在Java等编程语言中被设计为不可变对象，主要有以下几个原因：

安全性

不可变字符串可以确保字符串在创建后不会被修改，这有助于保证数据的一致性和安全性。因为字符串在程序中经常被用作敏感信息的载体，如密码、文件路径等，如果字符串可变，那么这些信息可能会被意外或恶意地修改，导致安全问题。

缓存哈希值

由于String的哈希值在Java中经常被使用（例如在HashSet、HashMap等数据结构中），将String设计为不可变可以使得它的哈希值被缓存并重复使用，从而提高性能。如果String是可变的，那么每次修改后都需要重新计算哈希值，这将大大降低性能。

字符串池化

Java中实现了字符串的池化技术（即字符串常量池），这可以减少内存中相同字符串的重复存储。由于字符串是不可变的，因此可以安全地共享相同的字符串实例，而无需担心其中一个引用修改字符串会影响其他引用。这种池化技术有助于提高内存使用效率。

不可变对象的天然线程安全

在多线程环境中，不可变对象具有天然的线程安全性。由于String是不可变的，因此多个线程可以同时访问和操作同一个字符串对象，而无需担心数据不一致或同步问题。

提高代码可读性

字符串的不可变性使得代码更加易于理解和维护。当你知道一个字符串在程序的整个生命周期中都不会改变时，你可以更加确信地编写代码，而无需担心字符串在某个地方被意外修改。

综上所述，String的不可变性是为了提高程序的安全性、性能和可读性。当然，这并不意味着在所有情况下都应该使用不可变字符串。在某些场景下，可能需要使用可变字符串（如StringBuilder或StringBuffer），以便在需要时修改字符串内容。

private final

从private final的角度来解释String为什么不可变，我们可以深入到Java String类的内部实现。

在Java中，String类内部使用了一个private final的字符数组来存储字符串的内容。这意味着一旦这个字符数组被初始化，它的引用就不能再被改变。这里的final关键字确保了数组引用在对象生命周期内保持不变。

下面是一个简化的String类实现示例，用于说明这个概念：

public final class String {  private final char[] value; // 字符数组被声明为private和final  public String(char[] original) {  // 这里为了简化，省略了其他处理，比如字符数组的复制等  this.value = original;  }  // 其他方法，如charAt, length, substring等  
}

在这个简化的示例中，value字段被声明为private final char[] value;。这里的private确保了该字段只能在String类内部被访问，防止了外部类直接修改这个字符数组。而final则保证了这个字符数组的引用在String对象的生命周期内不会被改变。

需要注意的是，虽然字符数组的引用不可变，但字符数组本身的内容理论上是可变的（如果不是private的话，外部可以通过修改数组内容来改变字符串）。然而，由于String类内部确保了不会暴露这个字符数组的直接引用，并且所有可能修改字符串内容的方法都会返回一个新的String对象，而不是修改原始对象，因此从外部看来，String是不可变的。

另外，String类还被声明为final，这意味着它不能被继承。这也是为了确保String的不可变性，防止子类可能引入的可变性。

综上所述，private final在String类的实现中起到了关键作用，它确保了字符串内部字符数组的引用不可变，并且结合String类的其他设计决策（如方法实现、不暴露内部字符数组等），共同实现了String的不可变性。

String a = new String(“ccc”);和String b = “ddd”

当我们使用String a = new String(“ccc”);和String b = “ddd”;这样的语句时，可以从private final的角度来理解String的不可变性。

使用new关键字创建字符串

String a = new String(“ccc”); 这条语句会创建一个新的String对象，并在堆上为其分配内存。在String对象内部，有一个private final char[] value;字段，这个字段在对象创建时被初始化，并且指向一个包含字符’c’, ‘c’, 'c’的字符数组。由于value是final的，所以这个字符数组的引用在String对象的整个生命周期内都不会改变。 这里的private确保了其他类不能直接访问或修改这个字符数组，而final则保证了数组引用的不变性。即使你有对String对象的引用，你也不能改变它内部的字符数组，因为你没有直接访问这个数组的权限。

使用字符串字面量创建字符串

String b = “ddd”; 这条语句会创建一个字符串字面量"ddd"。在Java中，字符串字面量通常会被存储在字符串常量池中。当你再次使用相同的字符串字面量时，Java会重用已经存在的字符串对象，而不是创建一个新的对象。这是为了提高性能和内存使用效率。 即使这个字符串是从字符串常量池中获取的，它的不可变性仍然得到保证。这是因为字符串常量池中的字符串对象也是按照String类的规则创建的，即它们的内部字符数组引用同样是private final的。

在这两种情况下，无论你是通过new关键字还是通过字符串字面量创建字符串，你得到的都是一个不可变的String对象。这意味着你不能改变字符串的内容，比如将"ccc"改为"cccc"或将"ddd"改为"ddde"。如果你需要这样做，你必须创建一个新的String对象。例如，通过a = a + “c”;或b = b + “e”;，这些操作实际上都会创建新的String对象，并更新引用a或b以指向新的对象，而原始对象保持不变。

去掉final

内部状态的不一致性

String类可能会在其方法内部不小心（或有意）更改其内部的字符数组。这将导致外部持有的String引用所对应的实际内容发生变化，这与String应该是不可变的设计原则相违背。

多线程环境中的问题

在多线程环境中，如果多个线程共享同一个String对象，并且该对象的内部状态可以更改，那么就会引入数据竞争和同步问题。final关键字确保了引用不会改变，从而简化了多线程编程中的同步需求。

破坏哈希码和相等性的假设

String的哈希码（hashCode）和相等性（equals）方法是基于其内容计算的。如果内容可以在对象创建后更改，那么这些方法的正确性将无法得到保证，因为哈希码和相等性的结果可能会因为内部状态的更改而变得不一致。

性能下降

不可变性使得String对象可以被安全地共享，例如在字符串常量池中。如果String是可变的，那么这种共享将变得不可能，因为对一个共享的String对象的更改会影响到所有引用该对象的变量。

安全漏洞

不可变性提供了安全性保证。例如，当String被用作系统命令、文件名、网络连接等敏感操作时，其不可变性确保了这些操作不会被恶意修改。

去掉private

如果String类中的char[] value字段只有final而没有private修饰符，那么该字段将被声明为包内可见的（如果它没有显式的public或protected修饰符）。这意味着在同一个包内的其他类将能够直接访问这个字符数组。然而，由于它仍然是final的，所以其他类不能更改该字段所引用的数组本身，但它们可以读取数组的内容。

以下是这种情况可能带来的影响：

封装性的破坏

private修饰符是封装性的一部分，它确保类的内部实现细节对外部是不可见的。如果去掉了private，那么同包内的其他类就可以直接访问String的内部字符数组，这破坏了封装性，使得String的内部实现变得不再是私有的。

安全性风险

允许同包内的其他类直接访问String的内部状态可能会引入安全风险。恶意代码或意外的修改可能会导致String对象的状态被不恰当地暴露或篡改，尽管由于final的存在，它们不能直接更改字符数组的引用。

维护性问题

如果其他类依赖于直接访问String的内部状态，那么在未来对String类进行内部更改时，可能会影响到这些依赖类。这将增加维护的复杂性和成本。

不变性的保证

虽然final确保了字符数组的引用不会被更改，但没有private的保护意味着同包内的其他类可以读取甚至可能根据读取到的字符数组内容来修改其他相关状态，这可能会间接地影响到String对象的不变性保证。

如果String类中的char[] value字段只被声明为final而没有private修饰符，那么该字段将对同一个包内的其他类可见（假设String类没有被定义在一个默认的（default）访问权限的包内，而是被定义在一个可以被其他类访问的包内）。final关键字确保value字段一旦被初始化后就不能再被重新赋值，但是它并不能防止数组内部的内容被修改。

在这种情况下，虽然同包内的其他类不能改变value字段所引用的数组对象，但是它们可以访问这个数组，并有可能修改数组内部的元素。这是因为final只保护了引用本身，而不是引用指向的内容。

以下是一个示例，展示了如果char[] value不是private时，同包内的另一个类如何可能篡改String对象的内部字符数组：

// 假设String类中的value字段不是private的  
// public final class String {  
//     final char[] value;  
//     ...  
// }  public class StringModifier {  public static void main(String[] args) {  String str = new String("hello");  modifyString(str);  System.out.println(str); // 如果value不是private，这里可能会输出被修改后的字符串，例如"hfnos"  }  public static void modifyString(String str) {  // 正常情况下，这样的操作是不允许的，因为value是private。  // 但如果value不是private，同包内的其他类就可以访问并修改它。  str.value[1] = 'f'; // 将'e'改为'f'  str.value[4] = 's'; // 将'o'改为's'  // 注意：这样的操作在实际的Java String类中是不可能的，因为value是private的。  }  
}

在上面的示例中，我们假设String类的value字段不是private的，因此可以被同包内的其他类访问。modifyString方法直接修改了传入的String对象内部字符数组的元素。如果value字段确实是可访问的，那么这种修改将会成功，从而破坏了String的不可变性。

然而，在实际的Java标准库中，String类的value字段是private的，这就防止了外部类直接访问和修改它，从而严格保证了String对象的不可变性。不可变性是字符串操作中一个非常重要的特性，它使得字符串可以在多线程环境中安全地共享，且无需额外的同步措施。同时，不可变性也简化了字符串的操作和比较，并提高了程序的安全性。

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