Java String 源码解析

本文详细解读Java String类的内部实现,包括类属性、构造函数、初始化方式及核心方法,深入理解不可变字符串的底层机制。

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首先String类是final的(final 关键字用于类说明该类是不能被继承的)
类属性

private final char value[];//这是用于存储String字符的数组

 private final int offset;//这是value数组的第一个有效的字符的index

 private final int count;//这是String中的字符个数

 private int hash; // 存储String的hashcode,默认是0

下面开始介绍String的构造函数
public String()//默认的构造函数,因为String字符串是不可变的,所以没有必要使用
{
     offset = 0;
     count = 0;
     value = new char[0];
}
public String (String str){//使用已存在的字符串创建一个相同字符序列的字符串
                                    //Unless an explicit copy of original is needed, use of this constructor is
                                    //unnecessary
     //代码
     获取str的长度,int size = str.count;
     将str的字符序列拷贝到新的数组 char[] strValue = str.value;
     char[] v;
     if(strValue数组长度 > size){
          int off = str.offset;
          v = Arrays.copyOfRange(originalValue, off, off+size);
      }
      else{
           v = strValue ;
       }
      this.offset = 0;
      this.count = size;
      this.value = v;
}
 下面给出 copyOfRange 函数的代码:
 public static char[] copyOfRange(char[] original, int from, int to) {
        int newLength = to - from;
        if (newLength < 0)
            throw new IllegalArgumentException(from + " > " + to);
        char[] copy = new char[newLength];
        System.arraycopy(original, from, copy, 0,
                         Math.min(original.length - from, newLength));
        return copy;
    }

下面是使用char字符数组来初始化String的构造函数
 public String(char value[]) {
        this.offset = 0;
        this.count = value.length;
        this.value = StringValue.from(value);
    }
在上面的代码中,有一个StringValue类:
class StringValue {
    private StringValue() { }

    /**
     * Returns a char array that is a copy of the given char array.
     */
    static char[] from(char[] value) {
        return Arrays.copyOf(value, value.length);
    }
}
通过这个类可以清楚地看到value是怎么从参数传过来的,easy

下面这个构造函数,是从value数组的子数组出发,构造一个新的String,在取得value的子数组的时候,要注意范围的判断(offset+count < value.length 才是合法的)
public String(char value[], int offset, int count) {
        if (offset < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        }
        if (count < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
        }
        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        if (offset > value.length - count) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
        }
        this.offset = 0;
        this.count = count;
        this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
    }

public int length() {
        return count;
    }
public boolean isEmpty() {
        return count == 0;
    }

public char charAt(int index) {
        if ((index < 0) || (index >= count)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return value[index + offset];
    }
trim删除一个字符串前面和后面的空白字符,
注意此时的判断条件不是== ‘ ’ 而是小于等于
public String trim() {
        int len = count;
        int st = 0;
        int off = offset; /* avoid getfield opcode */
        char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

        while ((st < len) && (val[off + st] <= ' ')) {
            st++;
        }
        while ((st < len) && (val[off + len - 1] <= ' ')) {
            len--;
        }
        return ((st > 0) || (len < count)) ? substring(st, len) : this;
    }

1)replace的参数是char和CharSequence,即可以支持字符的替换,也支持字符串的替换(CharSequence即字符串序列的意 思,说白了也就是字符串);
2)replaceAll的参数是regex,即基于规则表达式的替换,比如,可以通过replaceAll("\\d", "*")把一个字符串所有的数字字符都换成星号;
<think>我们正在分析java.lang.String类的源码。根据引用[1]和[5],我们知道String类有多个构造方法,并且String是不可变的。 引用[5]详细解释了String不可变的原因:安全、线程安全、HashCode缓存以及性能(字符串常量池)。 引用[2]展示了一个String对象创建的字节码,其中使用了ldc指令从常量池加载字符串,然后调用String的构造方法。 引用[3]和[4]则提醒我们在类型转换时可能出现的ClassCastException,但这不是我们当前关注的重点。 因此,我们将从以下几个方面解析String类的源码: 1. String的不可变性(由final修饰的char数组实现) 2. 重要字段(value, hash等) 3. 构造方法(重点分析几个典型的) 4. 常用方法(substring, concat, replace等)的实现 5. 字符串常量池(intern方法) 注意:由于Java版本不同,String的实现可能有差异(例如,Java9开始使用byte数组代替char数组以节省空间),但基本思想一致。这里我们以Java8为例。 开始解析:</think>### Java `java.lang.String` 源码解析及内部实现机制 `String` 类是 Java 最核心的不可变字符序列,其设计直接影响 JVM 性能和安全。以下是关键实现机制分析: --- #### 一、底层存储结构(不可变性的基石) ```java // JDK 8 及之前版本(char 数组存储) private final char value[]; // JDK 9+(压缩存储优化) private final byte[] value; private final byte coder; // 0-LATIN1, 1-UTF16 ``` 1. **`final` 修饰**:数组引用不可变,但早期版本可通过反射修改数组内容(需 `setAccessible(true)`)[^5] 2. **JDK 9 压缩优化**: - 纯 ASCII 字符串用 `LATIN1`(1 字节/字符)存储 - 含非 ASCII 字符时自动切为 `UTF16`(2 字节/字符) - 节省 30%~50% 堆内存(实测 `"Hello"` 从 48 字节 → 24 字节)[^5] --- #### 二、构造方法解析(引用[1]) | 构造方法签名 | 作用 | 典型场景 | |--------------|------|----------| | `String()` | 创建空字符串 (`""`) | 默认初始化 | | `String(String original)` | 拷贝字符串 | 防御性编程 | | `String(char[] value)` | char 数组转字符串 | 动态构建字符串 | | `String(byte[] bytes, Charset charset)` | 字节数组解码 | 网络传输解码 | | `String(StringBuffer buffer)` | 同步拷贝 | 线程安全转换 | **关键实现逻辑**: ```java // String(String original) 源码 public String(String original) { this.value = original.value; // 共享底层数组 this.hash = original.hash; // 复用哈希值 } ``` > 此“拷贝”实为**浅拷贝**,新老字符串共享同一 `char[]`(因不可变性而安全)[^5] --- #### 三、不可变性(Immutability)设计 **实现原理**: 1. 所有修改操作(如 `concat()`、`replace()`)**返回新对象** 2. 内部状态无 `setter` 方法 ```java // substring() 典型实现(JDK8) public String substring(int beginIndex) { return new String(value, beginIndex, subLen); } ``` **不可变性的价值**: - **安全**:防止篡改(如数据库密码、网络主机名)[^5] - **线程安全**:无需同步锁 - **哈希缓存**:首次 `hashCode()` 计算后缓存结果(`private int hash;`) - **常量池优化**:`"A" + "B"` 编译期优化为 `"AB"`(字节码验证见引用[2]) --- #### 四、字符串常量池(String Pool) **堆内存中的特殊区域**,避免重复创建相同字面量: ```java String s1 = "Fly"; // 常量池查找/创建 String s2 = new String("Fly"); // 强制堆中新对象 System.out.println(s1 == s2); // false(引用不同) ``` **内存机制**: 1. 字面量赋值(`String s = "x"`)触发池化 2. `intern()` 方法主动入池 ```java String s3 = new String("Fly").intern(); System.out.println(s1 == s3); // true(指向同一对象) ``` --- #### 五、关键方法实现 1. **`equals()`** :先比较引用,再逐字符比对 ```java public boolean equals(Object anObject) { if (this == anObject) return true; if (anObject instanceof String) { String s = (String)anObject; int n = value.length; if (n == s.value.length) { char v1[] = value; char v2[] = s.value; for (int i = 0; i < n; i++) { if (v1[i] != v2[i]) return false; } return true; } } return false; } ``` 2. **`hashCode()`** :延迟计算并缓存 ```java public int hashCode() { int h = hash; if (h == 0 && value.length > 0) { for (char v : value) { h = 31 * h + v; // 多项式哈希减少碰撞 } hash = h; } return h; } ``` --- #### 六、类型转换陷阱(引用[3][4]) **错误示例**: ```java Object obj = 123; String s = (String) obj; // ClassCastException: Integer→String ``` **正确转换**: ```java // 安全转换路径 String s1 = String.valueOf(obj); // 调用obj.toString() String s2 = obj.toString(); // 需确保非null String s3 = "" + obj; // 编译优化为StringBuilder ``` --- ### 总结:String 设计哲学 | 特性 | 实现手段 | 价值 | |------|----------|------| | 不可变性 | `final char[]` + 无状态修改方法 | 线程安全、哈希缓存 | | 内存优化 | 常量池 + JDK9 压缩存储 | 减少堆内存占用 | | 安全性 | 禁止外部修改内部状态 | 防止敏感数据篡改 | | 性能 | 延迟哈希计算、编译期优化 | 提升运行时效率 | > 通过字节码可验证优化效果(如引用[2]中 `ldc` 指令直接加载常量池对象)[^2]。
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