Java中的String為什么是不可變的？ -- String源碼分析

眾所周知， 在Java中， String類是不可變的。那么到底什么是不可變的對象呢？ 可以這樣認為：如果一個對象，在它創建完成之后，不能再改變它的狀態，那么這個對象就是不可變的。不能改變狀態的意思是，不能改變對象內的成員變量，包括基本數據類型的值不能改變，引用類型的變量不能指向其他的對象，引用類型指向的對象的狀態也不能改變。

 

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

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重新指向了這個新的對象，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？

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; //

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（可以參考我之前的文章java中數組的特性）。 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：

 

 

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。   

    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也是可變對象。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。