為什么String被設計為不可變?是否真的不可變？

1 對象不可變定義 

不可變對象是指對象的狀態在被初始化以后，在整個對象的生命周期內，不可改變。 

2 如何不可變 

通常情況下，在java中通過以下步驟實現不可變

1. 對於屬性不提供設值方法
2. 所有的屬性定義為private final
3. 類聲明為final不允許繼承
4. Return deep cloned objects with copied content for all mutable fields in class

注意：不用final關鍵字也可以實現對象不可變，使用final只是顯示的聲明，提示開發者和編譯器為不可變。

3 Java中典型的不可變類為String類 

為什么String被設計為不可變？

• 安全首要原因是安全，不僅僅體現在你的應用中，而且在JDK中，Java的類裝載機制通過傳遞的參數（通常是類名）加載類，這些類名在類路徑下，想象一下，假設String是可變的，一些人通過自定義類裝載機制分分鍾黑掉應用。如果沒有了安全，Java不會走到今天
• 性能 string不可變的設計出於性能考慮，當然背后的原理是string pool，當然string pool不可能使string類不可變，不可變的string更好的提高性能。
• 線程安全 當多線程訪問時，不可變對象是線程安全的，不需要什么高深的邏輯解釋，如果對象不可變，線程也不能改變它。 

4 為什么String是不可變

區分對象和對象的引用

對於Java初學者， 對於String是不可變對象總是存有疑惑。看下面代碼：

 

		String s = "ABCabc";
		System.out.println("s = " + s);
		
		s = "123456";
		System.out.println("s = " + s);

　　輸出結果：

s = ABCabc

s = 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，並不是對象本身。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，並沒有改變。內存結構如下圖所示：

 

 

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：

 

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：

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於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。 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，並且沒有提供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， 並且在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：

		
		String a = "ABCabc";
		System.out.println("a = " + a);
		a = a.replace('A', 'a');
		System.out.println("a = " + a);
		

　　輸出結果：

a = ABCabc

a = 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，並把這個心的對象重新賦給了引用a。

		String ss = "123456";
		
		System.out.println("ss = " + ss);
		
		ss.replace('1', '0');
		
		System.out.println("ss = " + ss);

　　

打印結果：

ss = 123456
ss = 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划線“_”。 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：

	public static void testReflection() throws Exception {
		
		//創建字符串"Hello World"， 並賦給引用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：

s = Hello World
s = 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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