java基礎進階一：String源碼和String常量池

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作者：NiceCui

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日期：2017-12-15

1. String 介紹，常用方法源碼分析

2. String 常量池分析

常用方法

equals
trim
replace
concat
split
startsWith 和 endsWith
substring
toUpperCase() 和 toLowerCase()
compareTo

String 介紹

String類被final所修飾，也就是說String對象是不可變量，並發程序最喜歡不可變量了。String類實現了Serializable, Comparable , CharSequence接口。

從一段代碼說起：

public void stringTest(){
    String a = "a"+"b"+1;
    String b = "ab1";
    System.out.println(a == b);
}

大家猜一猜結果如何？如果你的結論是true。好吧，再來一段代碼：

public void stringTest(){
    String a = new String("ab1");
    String b = "ab1";
    System.out.println(a == b);
}

結果如何呢？正確答案是false。

讓我們看看經過編譯器編譯后的代碼如何

//第一段代碼
public void stringTest() {
    String a = "ab1";
    String b = "ab1";
    System.out.println(a == b);
}

//第二段代碼
public void stringTest() {
    String a1 = new String("ab1");
    String b = "ab1";
    System.out.println(a1 == b);
}

也就是說第一段代碼經過了編譯期優化，原因是編譯器發現"a"+"b"+1和"ab1"的效果是一樣的，都是不可變量組成。但是為什么他們的內存地址會相同呢？如果你對此還有興趣，那就一起看看String類的一些重要源碼吧。

源碼

一、 String屬性

String類中包含一個不可變的char數組用來存放字符串，一個int型的變量hash用來存放計算后的哈希值。

/** The value is used for character storage. */
private final char value[];

/** Cache the hash code for the string */
private int hash; // Default to 0

/** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;

二、 String構造函數

//不含參數的構造函數，一般沒什么用，因為value是不可變量
public String() {
    this.value = new char[0];
}

//參數為String類型
public String(String original) {
    this.value = original.value;
    this.hash = original.hash;
}

//參數為char數組，使用java.utils包中的Arrays類復制
public String(char value[]) {
    this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}

//從bytes數組中的offset位置開始，將長度為length的字節，以charsetName格式編碼，拷貝到value
public String(byte bytes[], int offset, int length, String charsetName)
        throws UnsupportedEncodingException {
    if (charsetName == null)
        throw new NullPointerException("charsetName");
    checkBounds(bytes, offset, length);
    this.value = StringCoding.decode(charsetName, bytes, offset, length);
}

//調用public String(byte bytes[], int offset, int length, String charsetName)構造函數
public String(byte bytes[], String charsetName)
        throws UnsupportedEncodingException {
    this(bytes, 0, bytes.length, charsetName);
}

三、 String常用方法

1. equals

boolean equals(Object anObject)

public boolean equals(Object anObject) {
    //如果引用的是同一個對象，返回真
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    //如果不是String類型的數據，返回假
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String) anObject;
        int n = value.length;
        //如果char數組長度不相等，返回假
        if (n == anotherString.value.length) {
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            //從后往前單個字符判斷，如果有不相等，返回假
            while (n-- != 0) {
                if (v1[i] != v2[i])
                        return false;
                i++;
            }
            //每個字符都相等，返回真
            return true;
        }
    }
    return false;
}

String e1 = "good";
String e2 = "good everyDay";
e1.equals(e2); // 返回 false

1 首先判斷是否引用同一個對象 == 也就是判斷這兩個引用的內存地址是否相同，如果相同直接返回 true
2 會判斷是否類型相同，是否是同一種數據類型
3 類型相同就會比較轉換成的字符數組的長度是否相同
4 從后往前比較每一個字符是否相同
判斷順序 =》 1.內存地址 2.數據類型 3.字符數組長度 4.單個字符比較

2. compareTo

int compareTo(String anotherString)

public int compareTo(String anotherString) {
    //自身對象字符串長度len1
    int len1 = value.length;
    //被比較對象字符串長度len2
    int len2 = anotherString.value.length;
    //取兩個字符串長度的最小值lim
    int lim = Math.min(len1, len2);
    char v1[] = value;
    char v2[] = anotherString.value;

    int k = 0;
    //從value的第一個字符開始到最小長度lim處為止，如果字符不相等，返回自身（對象不相等處字符-被比較對象不相等字符）
    while (k < lim) {
        char c1 = v1[k];
        char c2 = v2[k];
        if (c1 != c2) {
            return c1 - c2;
        }
        k++;
    }
    //如果前面都相等，則返回（自身長度-被比較對象長度）
    return len1 - len2;
}

String co1 = "hello" ;
String co2 = "hello";
String co3 = "hello you";
		 
System.out.println(co1.compareTo(co2)); // 0
System.out.println(co1.compareTo(co3)); // -4

這個方法寫的很巧妙，先從0開始判斷字符大小。
如果兩個對象能比較字符的地方比較完了還相等，就直接返回自身長度減被比較對象長度，如果兩個字符串長度相等，則返回的是0，巧妙地判斷了三種情況。

3.hashCode

int hashCode()

public int hashCode() {
    int h = hash;
    //如果hash沒有被計算過，並且字符串不為空，則進行hashCode計算
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;

        //計算過程
        //s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        //hash賦值
        hash = h;
    }
    return h;
}

String a = "toyou";
char val[] = a.toCharArray();
char c1 = 't';
char c2 = 'a';
int f = c1; 
int e = c2;
		 
System.out.println(e); 		     // 97   a
System.out.println(f);			 // 116  t
System.out.println(31*val[0]);   // 3596
System.out.println(31*c1);		 // 3596

// hashCode 計算中 因為char 字符可以自動轉換成對應的 int 整形

String類重寫了hashCode方法，Object中的hashCode方法是一個Native調用。
String類的hash采用多項式計算得來，我們完全可以通過不相同的字符串得出同樣的hash，所以兩個String對象的hashCode相同，並不代表兩個String是一樣的。
同一個String 對象 hashCode 一定相同，但是 hashCode相同，不一定是同一個對象

4.startsWith

boolean startsWith(String prefix,int toffset)

public boolean startsWith(String prefix, int toffset) {
    char ta[] = value;
    int to = toffset;
    char pa[] = prefix.value;
    int po = 0;
    int pc = prefix.value.length;
    // Note: toffset might be near -1>>>1.
    //如果起始地址小於0或者（起始地址+所比較對象長度）大於自身對象長度，返回假
    if ((toffset < 0) || (toffset > value.length - pc)) {
        return false;
    }
    //從所比較對象的末尾開始比較
    while (--pc >= 0) {
        if (ta[to++] != pa[po++]) {
            return false;
        }
    }
    return true;
}

public boolean startsWith(String prefix) {
    return startsWith(prefix, 0);
}

public boolean endsWith(String suffix) {
    return startsWith(suffix, value.length - suffix.value.length);
}

 String d = "www.58fxp.com";
			
 System.out.println(d.startsWith("www")); // true
 System.out.println(d.endsWith("com"));	  // true

起始比較和末尾比較都是比較經常用得到的方法，例如在判斷一個字符串是不是http協議的，或者初步判斷一個文件是不是mp3文件，都可以采用這個方法進行比較。

5.concat

String concat(String str)

public String concat(String str) {
    int otherLen = str.length();
    //如果被添加的字符串為空，返回對象本身
    if (otherLen == 0) {
        return this;
    }
    int len = value.length;
    char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
    str.getChars(buf, len);
    return new String(buf, true);
}

String cat = "much";
		 
String newcat = cat.concat(" yes"); // much yes

concat方法也是經常用的方法之一，它先判斷被添加字符串是否為空來決定要不要創建新的對象。
1 如果拼接的字符長度為0 直接返回原字符對象
2 拼接的字符不為空返回新的字符對象
判斷字符長度生成新對象

6.replace

String replace(char oldChar,char newChar)

public String replace(char oldChar, char newChar) {
    //新舊值先對比
    if (oldChar != newChar) {
        int len = value.length;
        int i = -1;
        char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

        //找到舊值最開始出現的位置
        while (++i < len) {
            if (val[i] == oldChar) {
                break;
            }
        }
        //從那個位置開始，直到末尾，用新值代替出現的舊值
        if (i < len) {
            char buf[] = new char[len];
            for (int j = 0; j < i; j++) {
                buf[j] = val[j];
            }
            while (i < len) {
                char c = val[i];
                buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                i++;
            }
            return new String(buf, true);
        }
    }
    return this;
}

String r1 = "how do you do";
		 
String r2 = r1.replace("do","is");
System.out.println(r2); // how is you is

這個方法也有討巧的地方，例如最開始先找出舊值出現的位置，這樣節省了一部分對比的時間。
replace(String oldStr,String newStr)方法通過正則表達式來判斷。

7.trim

String trim()

public String trim() {
    int len = value.length;
    int st = 0;
    char[] val = value;    /* avoid getfield opcode */

    //找到字符串前段沒有空格的位置
    while ((st < len) && (val[st] <= ' ')) {
        st++;
    }
    //找到字符串末尾沒有空格的位置
    while ((st < len) && (val[len - 1] <= ' ')) {
        len--;
    }
    //如果前后都沒有出現空格，返回字符串本身
    return ((st > 0) || (len < value.length)) ? substring(st, len) : this;
}

String t1 = " public void "; // 前后各一個空格
		 
System.out.println("t1:"+t1.length()); // 13 帶空格長度
		 
String t2 = t1.trim();
		 
System.out.println("t2:"+t2.length()); // 11 去掉空格
		 
System.out.println(t2);

8.intern

String intern()

public native String intern();

String dd = new String("bb").intern();

intern方法是Native調用，它的作用是在方法區中的常量池里通過equals方法尋找等值的對象，
如果沒有找到則在常量池中開辟一片空間存放字符串並返回該對應String的引用，否則直接返回常量池中已存在String對象的引用。
可以為new方法創建的字符對象也去強制查看常量池是否已存在

將引言中第二段代碼

//String a = new String("ab1");
//改為
String a = new String("ab1").intern();

則結果為為真，原因在於a所指向的地址來自於常量池，而b所指向的字符串常量默認會調用這個方法，所以a和b都指向了同一個地址空間。

int hash32()

private transient int hash32 = 0;
int hash32() {
    int h = hash32;
    if (0 == h) {
       // harmless data race on hash32 here.
       h = sun.misc.Hashing.murmur3_32(HASHING_SEED, value, 0, value.length);

       // ensure result is not zero to avoid recalcing
       h = (0 != h) ? h : 1;

       hash32 = h;
    }

    return h;
}

在JDK1.7中，Hash相關集合類在String類作key的情況下，不再使用hashCode方式離散數據，而是采用hash32方法。
這個方法默認使用系統當前時間，String類地址，System類地址等作為因子計算得到hash種子，通過hash種子在經過hash得到32位的int型數值。

public int length() {
    return value.length;
}
public String toString() {
    return this;
}
public boolean isEmpty() {
    return value.length == 0;
}
public char charAt(int index) {
    if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
    }
    return value[index];
}

以上是一些簡單的常用方法。

總結

String對象是不可變類型，返回類型為String的String方法每次返回的都是新的String對象，除了某些方法的某些特定條件返回自身。
String對象的三種比較方式：
==內存比較：直接對比兩個引用所指向的內存值，精確簡潔直接明了。
equals字符串值比較：比較兩個引用所指對象字面值是否相等。
hashCode字符串數值化比較：將字符串數值化。兩個引用的hashCode相同，不保證內存一定相同，不保證字面值一定相同。

字符串常量池的設計思想

一.字符串常量池設計初衷

每個字符串都是一個String對象，系統開發中將會頻繁使用字符串，如果像其他對像那樣創建銷毀將極大影響程序的性能。

JVM為了提高性能和減少內存開銷，在實例化字符串的時候進行了優化

為字符串開辟了一個字符串常量池，類似於緩存區
創建字符串常量時，首先判斷字符串常量池是否存在該字符串
存在該字符串返回引用實例，不存在，實例化字符串，放入池中

實現基礎

實現該優化的基礎是每個字符串常量都是final修飾的常量，不用擔心常量池存在數據沖突
運行時實例創建的全局字符串常量池中有一個表，總是為池中每個唯一的字符串對象維護一個引用,這就意味着它們一直引用着字符串常量池中的對象，所以，在常量池中的這些字符串不會被垃圾收集器回收

堆、棧、方法區

了解字符串常量池，首先看一下堆棧方法區

存儲的是對象，每個對象都包含一個與之對應的class
JVM只存在一個堆區，被所有線程共享，堆中不存在基本類型和對象引用，只存在對象本身
對象由垃圾回收器負責回收，因此大小和生命周期不需要確定

每個線程都包含一個棧區，棧區只存放基礎數據類型對象和自定義對象引用
每個棧中的數據(原始類型和對象引用)都是私有的
棧分為三個部分，基本類型變量區、執行環境上下文、操作指令區（存放操作指令）
數據大小和生命周期是可以確定的，當沒有引用指向這個數據時，這個數據就會消失

方法區

靜態區，跟堆一樣，被所有的線程共享
方法區包含的都是在整個程序中永遠唯一的元素，如class、static變量；

字符串常量池

字符串常量池存在於方法區

代碼：堆棧方法區存儲字符串

String str1 = “abc”;
String str2 = “abc”;
String str3 = “abc”;
String str4 = new String(“abc”);
String str5 = new String(“abc”);

面試題

String str4 = new String(“abc”) 創建多少個對象？

拆分： str4 = 、 new String（）、"abc"
通過new 可以創建一個新的對象，new 方法創建實例化對象不會去常量池尋找是否已存在，只要new 都會實例化一個新的對象出來
"abc"每個字符串都是一個String 對象，如果常量池中沒有則會創建一個新對象放入常量池，否則返回對象引用
將對象地址賦值給str4,創建一個引用
所以，常量池中沒有“abc”字面量則創建兩個對象，否則創建一個對象，以及創建一個引用

String str1 = new String("A"+"B") ; 會創建多少個對象? String str2 = new String("ABC") + "ABC" ; 會創建多少個對象?

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