深入解析 `String` 类的不可变性：为什么它是线程安全的以及内存优化

各位观众，欢迎来到 “Java 奇妙夜” 节目！今晚我们要聊聊 Java 中最最最常用的类，没有之一，那就是 String！别看它好像平平无奇，但它可是 Java 世界的基石，很多高级特性都依赖着它。而 String 类最核心的特性之一，就是它的 不可变性。

你可能会问：“不可变性？听起来有点高深啊！跟我有什么关系？” 关系可大了去了！ String 的不可变性，就像给你的代码穿上了一层防弹衣，让它更安全、更高效。今天，我们就来深入扒一扒 String 不可变性的秘密，看看它是如何实现线程安全和内存优化的。

一、什么是不可变性？先来个热身

想象一下，你有一支心爱的钢笔，借给别人写字，写完还回来的时候，笔还是原来的笔，墨水没少，笔尖也没歪。这就是“不可变”的概念。

在编程世界里，不可变对象就是指一旦被创建，它的状态就不能被修改的对象。 String 就是这样的对象。

String str = "Hello";
str = str + " World";
System.out.println(str); // 输出：Hello World

你可能会说：“你看，str 的值不是变了吗？从 "Hello" 变成了 "Hello World"！”

别急，这只是障眼法！实际上，当你执行 str = str + " World" 的时候，并没有修改原来的 "Hello" 字符串。而是创建了一个新的字符串对象 "Hello World"，然后把 str 变量指向了这个新的对象。原来的 "Hello" 对象仍然安静地躺在内存里，等着被垃圾回收器清理。

我们可以用一个简单的例子来证明这一点：

String str1 = "Hello";
String str2 = str1;

System.out.println("str1: " + str1); // 输出：str1: Hello
System.out.println("str2: " + str2); // 输出：str2: Hello

str1 = "World";

System.out.println("str1: " + str1); // 输出：str1: World
System.out.println("str2: " + str2); // 输出：str2: Hello

在这个例子中，str1 和 str2 最初都指向同一个 "Hello" 字符串对象。当我们修改 str1 的值时，str2 的值并没有改变。这说明 str1 只是指向了一个新的 "World" 字符串对象，而 str2 仍然指向原来的 "Hello" 对象。

二、 String 不可变性的实现原理：幕后英雄

那么，String 类是如何做到不可变的呢？这要归功于以下几个关键因素：

final 关键字修饰 String 类：
```
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
```
final 关键字修饰类，意味着这个类不能被继承。这保证了我们不能通过继承来改变 String 类的行为。
private final char[] value：

String 类内部使用一个 char 数组来存储字符串的内容，这个数组被声明为 private final。
- private：意味着这个数组只能在 String 类内部访问，外部无法直接修改。
- final：意味着这个数组的引用一旦被初始化，就不能再指向其他的数组。虽然数组本身是可变的，但是由于引用不可变，我们无法通过这个引用来修改数组的内容。
没有提供任何修改内部 char[] 数组的方法：

String 类没有提供任何 public 的方法来修改内部的 char[] 数组。所有看似修改字符串的方法，实际上都是创建了一个新的 String 对象。

让我们来看一下 String 类的一些关键方法的实现：

// substring() 方法：返回一个新的字符串，是此字符串的子字符串。
public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    if (beginIndex == 0 && endIndex == value.length) {
        return this; // 如果截取的是整个字符串，直接返回自身，避免创建新的对象
    }
    return new String(value, beginIndex, subLen); // 创建一个新的 String 对象
}

// concat() 方法：将指定的字符串连接到该字符串的末尾。
public String concat(String str) {
    int otherLen = str.length();
    if (otherLen == 0) {
        return this; // 如果连接的是空字符串，直接返回自身，避免创建新的对象
    }
    int len = value.length;
    char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen); // 创建一个新的 char 数组
    str.getChars(0, otherLen, buf, len); // 将要连接的字符串复制到新的 char 数组中
    return new String(buf, true); // 创建一个新的 String 对象
}

从上面的代码可以看出，无论是 substring() 还是 concat() 方法，都没有修改原来的字符串对象，而是创建了一个新的字符串对象。

三、 String 不可变性的好处：安全与效率的双重保障

String 的不可变性，可不是为了耍酷，而是实实在在的好处多多。

线程安全：

在多线程环境下，多个线程可以同时访问同一个 String 对象，而不需要进行任何同步操作。这是因为 String 对象的状态不会被任何线程修改，所以不会出现竞态条件和数据不一致的问题。

想象一下，如果 String 是可变的，那么多个线程同时修改同一个字符串，就会导致数据混乱，程序崩溃。 String 的不可变性，就像给多线程程序提供了一个安全的共享空间，让它们可以自由地访问字符串数据，而不用担心数据被破坏。

public class StringThreadSafety {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String sharedString = "Initial Value";

        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                // 虽然看起来像是在修改 sharedString，但实际上每次都创建了新的 String 对象
                sharedString = sharedString + " Thread " + Thread.currentThread().getId() + " - " + i;
                //  打印 sharedString 的哈希值，会发现每次都不同，说明是不同的对象
                System.out.println("Thread " + Thread.currentThread().getId() + ": " + sharedString.hashCode());
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        // 由于每次修改都会创建新的 String 对象，所以最终 sharedString 的值取决于线程的执行顺序
        System.out.println("Final Value: " + sharedString);
    }
}

在这个例子中，两个线程同时修改 sharedString，但由于 String 的不可变性，每个线程实际上都在操作不同的 String 对象，所以不会出现线程安全问题。虽然最终的结果可能不是我们期望的，但至少程序不会崩溃。如果你把 String 换成 StringBuilder，程序就有可能出现线程安全问题。

内存优化：字符串常量池

Java 为了优化字符串的使用，引入了字符串常量池（String Pool）的概念。字符串常量池是 JVM 中的一个特殊的存储区域，用于存储字符串字面量。

当我们使用字符串字面量（例如 "Hello"）创建一个 String 对象时，JVM 会首先检查字符串常量池中是否已经存在相同的字符串。如果存在，则直接返回字符串常量池中的引用，而不会创建新的对象。如果不存在，则在字符串常量池中创建一个新的字符串对象，并返回该对象的引用。
```
String str1 = "Hello";
String str2 = "Hello";

System.out.println(str1 == str2); // 输出：true
```
在这个例子中，str1 和 str2 都指向字符串常量池中的同一个 "Hello" 对象。这节省了大量的内存空间。

但是，如果使用 new String() 创建字符串对象，则会在堆内存中创建一个新的对象，而不会使用字符串常量池。
```
String str1 = "Hello";
String str2 = new String("Hello");

System.out.println(str1 == str2); // 输出：false
System.out.println(str1.equals(str2)); // 输出：true
```
在这个例子中，str1 指向字符串常量池中的 "Hello" 对象，而 str2 指向堆内存中的一个新的 "Hello" 对象。虽然它们的值相等，但是它们的引用不同。

字符串常量池之所以能够实现内存优化，正是因为 String 的不可变性。如果 String 是可变的，那么字符串常量池中的字符串对象就有可能被修改，这会导致其他使用该字符串对象的代码出现错误。
安全性：

String 的不可变性可以提高程序的安全性。例如，在网络传输中，如果 String 是可变的，那么在传输过程中就有可能被恶意篡改。 String 的不可变性保证了数据的完整性。

另外，String 常被用作 HashMap 的 key，而 HashMap 的 key 要求是不可变的。如果 String 是可变的，那么当 String 对象作为 key 被放入 HashMap 后，如果它的值被修改了，那么 HashMap 就无法正确地找到对应的 value 了。
缓存：

由于 String 是不可变的，所以可以很方便地进行缓存。例如，我们可以将一个 String 对象的 hashCode 缓存起来，下次使用时直接返回缓存的值，而不需要重新计算。

四、 String 不可变性的代价：一点点性能损耗

String 的不可变性带来了很多好处，但同时也带来了一点点性能损耗。每次修改字符串，都需要创建一个新的 String 对象，这会消耗一定的内存和时间。

例如，下面的代码会创建多个 String 对象：

String str = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    str = str + i;
}

在这个例子中，每次循环都会创建一个新的 String 对象。这会浪费大量的内存和时间。

为了解决这个问题，Java 提供了 StringBuilder 和 StringBuffer 类。这两个类都是可变的字符串类，它们允许我们直接修改字符串的内容，而不需要创建新的对象。

StringBuilder 和 StringBuffer 的区别在于，StringBuffer 是线程安全的，而 StringBuilder 是线程不安全的。因此，在多线程环境下，应该使用 StringBuffer，而在单线程环境下，应该使用 StringBuilder，以获得更高的性能。

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(i);
}
String str = sb.toString();

在这个例子中，我们使用 StringBuilder 来构建字符串，只需要创建一个 StringBuilder 对象和一个 String 对象。这大大提高了性能。

五、 String 的 intern() 方法：手动入池的机会

String 类提供了一个 intern() 方法，可以将一个 String 对象放入字符串常量池中。如果字符串常量池中已经存在相同的字符串，则返回字符串常量池中的引用；否则，将该字符串对象添加到字符串常量池中，并返回该对象的引用。

String str1 = new String("Hello").intern();
String str2 = "Hello";

System.out.println(str1 == str2); // 输出：true

在这个例子中，我们使用 new String("Hello") 创建了一个新的 String 对象，然后调用 intern() 方法将其放入字符串常量池中。由于字符串常量池中已经存在 "Hello" 对象，所以 intern() 方法返回了字符串常量池中的引用。因此，str1 和 str2 指向同一个对象。

intern() 方法可以用于优化内存使用，但是需要谨慎使用。如果字符串常量池中已经存在大量的字符串，那么调用 intern() 方法可能会导致性能下降。

六、总结：String 的不可变性，Java 的智慧

String 的不可变性是 Java 设计中的一个重要特性，它带来了线程安全、内存优化、安全性和缓存等诸多好处。虽然它也带来了一点点性能损耗，但是我们可以通过使用 StringBuilder 和 StringBuffer 类来避免这个问题。

String 的不可变性是 Java 语言设计者们智慧的结晶，它保证了 Java 程序的稳定性和安全性。理解 String 的不可变性，可以帮助我们更好地理解 Java 语言的设计思想，编写更高效、更安全的代码。

最后，记住，String 就像一位沉默寡言的守护者，默默地保护着你的代码，让你远离线程安全和内存泄漏的烦恼。所以，请善待它，了解它，充分利用它的特性，让你的 Java 程序更加健壮和高效！

感谢大家的收看，我们下期再见！

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