Java的JVM虚拟机对String对象的处理

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本文深入探讨了 Java 中 String 类的实现原理，包括其不可变性、创建方式、串接操作的影响及 String 的最大长度限制等内容。

要理解 java 中String 的运作方式，必须明确一点：String 是一个非可变类（immutable）。什么是非可变类呢？简单说来，非可变类的实例是不能被修改的，每个实例中包含的信息都必须在该实例创建的时候就提供出来，并且在对象的整个生存周期内固定不变。java 为什么要把String 设计为非可变类呢？你可以问问 james Gosling ：）。但是非可变类确实有着自身的优势，如状态单一，对象简单，便于维护。其次，该类对象对象本质上是线程安全的，不要求同步。此外用户可以共享非可变对象，甚至可以共享它们的内部信息。（详见《Effective java 》item 13）。String 类在java 中被大量运用，甚至在class文件中都有其身影，因此将其设计为简单轻便的非可变类是比较合适的。

一、创建。
好了，知道String 是非可变类以后，我们可以进一步了解String 的构造方式了。创建一个Stirng对象，主要就有以下两种方式：

java 代码

String str1 = new String ( "abc" );
Stirng str2 = "abc" ;

虽然两个语句都是返回一个String 对象的引用，但是jvm对两者的处理方式是不一样的。对于第一种，jvm会马上在heap中创建一个String 对象，然后将该对象的引用返回给用户。对于第二种，jvm首先会在内部维护的strings pool中通过String 的 equels 方法查找是对象池中是否存放有该String 对象，如果有，则返回已有的String 对象给用户，而不会在heap中重新创建一个新的String 对象；如果对象池中没有该String 对象，jvm则在heap中创建新的String 对象，将其引用返回给用户，同时将该引用添加至strings pool中。注意：使用第一种方法创建对象时，jvm是不会主动把该对象放到strings pool里面的，除非程序调用 String 的intern方法。看下面的例子：

java 代码

String str1 = new String ( "abc" ); //jvm 在堆上创建一个String 对象
//jvm 在strings pool 中找不到值为“abc”的字符串，因此
//在堆上创建一个String 对象，并将该对象的引用加入至strings pool中
//此时堆上有两个String 对象
Stirng str2 = "abc" ;
if (str1 == str2){
System.out.println( "str1 == str2" );
} else {
System.out.println( "str1 != str2" );
}
//打印结果是 str1 != str2,因为它们是堆上两个不同的对象
String str3 = "abc" ;
//此时，jvm发现strings pool中已有“abc”对象了，因为“abc”equels “abc”
//因此直接返回str2指向的对象给 str3，也就是说str2和str3是指向同一个对象的引用
if (str2 == str3){
System.out.println( "str2 == str3" );
} else {
System.out.println( "str2 != str3" );
}
//打印结果为 str2 == str3

再看下面的例子：

java 代码

String str1 = new String ( "abc" ); //jvm 在堆上创建一个String 对象
str1 = str1.intern();
//程序显式将str1放到strings pool中，intern运行过程是这样的：首先查看strings pool
//有没“abc”对象的引用，没有，则在堆中新建一个对象，然后将新对象的引用加入至
//strings pool中。执行完该语句后，str1原来指向的String 对象已经成为垃圾对象了，随时会
//被GC收集。
//此时，jvm发现strings pool中已有“abc”对象了，因为“abc”equels “abc”
//因此直接返回str1指向的对象给str2，也就是说str2和str1引用着同一个对象，
//此时，堆上的有效对象只有一个。
Stirng str2 = "abc" ;
if (str1 == str2){
System.out.println( "str1 == str2" );
} else {
System.out.println( "str1 != str2" );
}
//打印结果是 str1 == str2

为什么jvm可以这样处理String 对象呢？就是因为String 的非可变性。既然所引用的对象一旦创建就永不更改，那么多个引用共用一个对象时互不影响。

二、串接（Concatenation）。
java 程序员应该都知道滥用String 的串接操作符是会影响程序的性能的。性能问题从何而来呢？归根结底就是String 类的非可变性。既然String 对象都是非可变的，也就是对象一旦创建了就不能够改变其内在状态了，但是串接操作明显是要增长字符串的，也就是要改变String 的内部状态，两者出现了矛盾。怎么办呢？要维护String 的非可变性，只好在串接完成后新建一个String 对象来表示新产生的字符串了。也就是说，每一次执行串接操作都会导致新对象的产生，如果串接操作执行很频繁，就会导致大量对象的创建，性能问题也就随之而来了。
为了解决这个问题，jdk为String 类提供了一个可变的配套类，StringBuffer。使用StringBuffer对象，由于该类是可变的，串接时仅仅时改变了内部数据结构，而不会创建新的对象，因此性能上有很大的提高。针对单线程，jdk 5.0还提供了StringBuilder类，在单线程环境下，由于不用考虑同步问题，使用该类使性能得到进一步的提高。

三、String 的长度
我们可以使用串接操作符得到一个长度更长的字符串，那么，String 对象最多能容纳多少字符呢？查看String 的源代码我们可以得知类String 中是使用域 count 来记录对象字符的数量，而count 的类型为 int，因此，我们可以推测最长的长度为 2^32，也就是4G。
不过，我们在编写源代码的时候，如果使用 Sting str = "aaaa";的形式定义一个字符串，那么双引号里面的ASCII字符最多只能有 65534 个。为什么呢？因为在class文件的规范中， CONSTANT_Utf8_info表中使用一个16位的无符号整数来记录字符串的长度的，最多能表示 65536个字节，而java class 文件是使用一种变体UTF-8格式来存放字符的，null值使用两个字节来表示，因此只剩下 65536－ 2 ＝ 65534个字节。也正是变体UTF-8的原因，如果字符串中含有中文等非ASCII字符，那么双引号中字符的数量会更少（一个中文字符占用三个字节）。如果超出这个数量，在编译的时候编译器会报错。