Java常用类06：String 类（上）

原创 于 2020-06-10 22:03:14 发布 · 283 阅读 · 1 ·
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本文深入解析Java中的String类，涵盖其内部实现、创建方式、常量池机制、不可变性及各种实用方法，帮助读者全面掌握字符串操作技巧。

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String 类

1、String概述

在API中是这样描述： String 类代表字符串。Java 程序中的所有字符串字面值（如 “abc” ）都作为此类的实例实现。 字符串是 常量；它们的值在创建之后不能更改。字符串缓冲区支持可变的字符串。因为 String 对象是不可变的， 所以可以共享。

【演示：查看String源码】

public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
}

【String的成员变量】

//String的属性值
private final char value[];
//数组被使用的开始位置
private final int offset;
//String中元素的个数
private final int count;
//String类型的hash值
private int hash; // Default to 0
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields =
new ObjectStreamField[0];

从源码看出String底层使用一个字符数组来维护的。 成员变量可以知道String类的值是final类型的，不能被改变的，所以只要一个值改变就会生成一个新的 String类型对象，存储String数据也不一定从数组的第0个元素开始的，而是从offset所指的元素开始。

【String的构造方法】

String()
//初始化一个新创建的 String 对象，使其表示一个空字符序列。
String(byte[] bytes)
//通过使用平台的默认字符集解码指定的 byte 数组，构造一个新的 String。
String(byte[] bytes, Charset charset)
//通过使用指定的 charset 解码指定的 byte 数组，构造一个新的 String。
String(byte[] bytes, int offset, int length)
//通过使用平台的默认字符集解码指定的 byte 子数组，构造一个新的 String。
String(byte[] bytes, int offset, int length, Charset charset)
//通过使用指定的 charset 解码指定的 byte 子数组，构造一个新的 String。
String(byte[] bytes, int offset, int length, String charsetName)
//通过使用指定的字符集解码指定的 byte 子数组，构造一个新的 String。
String(byte[] bytes, String charsetName)
//通过使用指定的 charset 解码指定的 byte 数组，构造一个新的 String。
String(char[] value)
//分配一个新的 String，使其表示字符数组参数中当前包含的字符序列。
String(char[] value, int offset, int count)
//分配一个新的 String，它包含取自字符数组参数一个子数组的字符。
String(int[] codePoints, int offset, int count)
//分配一个新的 String，它包含 Unicode 代码点数组参数一个子数组的字符。
String(String original)
//初始化一个新创建的 String 对象，使其表示一个与参数相同的字符序列；换句话说，新创建
的字符串是该参数字符串的副本。
String(StringBuffer buffer)
//分配一个新的字符串，它包含字符串缓冲区参数中当前包含的字符序列。
String(StringBuilder builder)
//分配一个新的字符串，它包含字符串生成器参数中当前包含的字符序列。

2、创建字符串对象方式

(1)直接赋值方式创建对象是在方法区的常量池

String str="hello";//直接赋值的方式

直接赋值方式在编译阶段就会在内存中创建， 在编译期，JVM会去常量池来查找是否存在“hello”，如果不存在，就在常量池中开辟一个空间来存储“hello”；如果存在，就不用新开辟空间。然后在栈内存中开辟一个名字为str的空间，来存储“hello”在常量池中的地址值。

(2)通过构造方法创建字符串对象是在堆内存

String str=new String("hello");//实例化的方式

构造方法创建方式在编译阶段JVM先去常量池中查找是否存在“abc”，如果过不存在，则在常量池中开辟一个空间存储“abc”。在运行时期通过 String 类的构造器在堆内存中 new 了一个空间，然后将 String 常量池中的“abc”复制一份存放到该堆空间中，在栈中开辟名字为 str 的空间，存放堆中 new 出来的这个 String 对象的地址值。

【两种实例化方式的比较】

1.编写代码比较

package com.string;

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "epfox";
        String str2 = new String("epfox");
        String str3 = str2; //引用传递，str3直接指向str2的堆内存地址
        String str4 = "epfox";
        String str5 = new String("epfox");
        /*
          ==
          基本数据类型：比较的是基本数据类型的值是否相同
          引用数据类型：比较的是引用数据类型的地址值是否相同
          所以这里的话：String类对象==比较，比较的是地址，而不是内容
         */
        System.out.println(str1==str2);//false
        System.out.println(str1==str3);//false
        System.out.println(str3==str2);//true
        System.out.println(str1==str4);//true
        System.out.println(str2==str5);//false
    }
}

1.内存图分析

在这里插入图片描述

可能这里还是不够明显，构造方法实例化方式的内存图：String str = new String(“Hello”);

首先：

在这里插入图片描述

当我们再一次的new一个String对象时：

在这里插入图片描述

【字符串常量池】

在字符串中，如果采用直接赋值的方式（String str=“epfox”）进行对象的实例化，则会将匿名对象 “epfox”放入对象池，每当下一次对不同的对象进行直接赋值的时候会直接利用池中原有的匿名对象，我 们可以用对象手工入池；

package com.string;

public class Demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        //对匿名对象“hello"进行手工入池操作
        String str = new String("epfox").intern();
        String str1 = "epfox";
        System.out.println(str==str1); //true
    }
}

【两种实例化方式的区别】

  1. 直接赋值（String str = “hello”）：只开辟一块堆内存空间，并且会自动入池，不会产生垃圾。
  2. 构造方法（String str= new String(“hello”);）:会开辟两块堆内存空间，其中一块堆内存会变成垃圾 被系统回收，而且不能够自动入池，需要通过public String intern();方法进行手工入池。
  3. 在开发的过程中不会采用构造方法进行字符串的实例化。

【避免空指向】 首先了解： == 和public boolean equals()比较字符串的区别 ==在对字符串比较的时候，对比的是内存地址，而equals比较的是字符串内容，在开发的过程中， equals()通过接受参数，可以避免空指向。

package com.string;

public class Demo03 {
    public static void main(String[] args) {
        String str = null;

        if(str.equals("hello")){   //空指针异常

            }

        if("hello".equals(str)){    ////此时equals会处理null值，可以避免空指向异常

        }
    }
}

使用分析：

1、性能效率
String类被设计成不可变（immutable）类，所以它的所有对象都是不可变对象。例如：

String str = “hello";
str = str + "world“；

在这里插入图片描述

String 类对象一旦声明则不可以改变；而改变的只是地址，原来的字符串还是存在内存中的，所以产生了垃圾，当上文 str 指向了一个 String 对象（内容为“hello”），然后对 str 进行“+”操作，str原来指向的对象并没有变，而是 str 又指向了另外一个对象（“hello world”），原来的对象还在内存中。由此也可以看出，频繁的对String对象进行修改，会造成很大的内存开销。此时应该用 StringBuffer 或 StringBuilder 来代替 String。而 new String() 更加不适合，因为每一次创建对象都会调用构造器在堆中产生新的对象，性能低下且内存更加浪费。

安全性
String 对象都是只读的，所以多线程并发访问也不会有任何问题，由于不可变，用来存储数据也是极为安全的。

3.String常用的方法

1、String的判断

【常用方法】

boolean equals(Object obj)：比较字符串的内容是否相同
boolean equalsIgnoreCase(String str)： 比较字符串的内容是否相同,忽略大小写
boolean startsWith(String str)： 判断字符串对象是否以指定的str开头
boolean endsWith(String str)： 判断字符串对象是否以指定的str结尾

【演示】

package com.string;

public class Demo04 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建字符串对象
        String s1 = "hello";
        String s2 = "hello";
        String s3 = "Hello";

        //boolean equals(Object obj):比较字符串的内容是否相同
        System.out.println(s1.equals(s2)); //ture
        System.out.println(s1.equals(s3)); //false
        System.out.println("===============");

        //boolean equalsIgnoreCase(String str):比较字符串的内容是否相同,忽略大小写
        System.out.println(s1.equalsIgnoreCase(s2));  //ture
        System.out.println(s1.equalsIgnoreCase(s3));  //ture
        System.out.println("===============");

        //boolean startsWith(String str):判断字符串对象是否以指定的str开头
        System.out.println(s1.startsWith("he"));  //true
        System.out.println(s1.startsWith("ll"));  //false
    }
}
2、String的截取

【常用方法】

int length():获取字符串的长度，其实也就是字符个数
char charAt(int index):获取指定索引处的字符
int indexOf(String str):获取str在字符串对象中第一次出现的索引
String substring(int start):从start开始截取字符串
String substring(int start,int end):从start开始，到end结束截取字符串。包括start，不包括end

【演示】

package com.string;

public class Demo05 {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "helloworld";
        // int length():获取字符串的长度，其实也就是字符个数
        System.out.println(s.length()); //10
        System.out.println("==========");

        // char charAt(int index):获取指定索引处的字符
        System.out.println(s.charAt(0)); //h
        System.out.println(s.charAt(1)); //e
        System.out.println("==========");
        // int indexOf(String str):获取str在字符串对象中第一次出现的索引
        System.out.println(s.indexOf("l"));  //2
        System.out.println(s.indexOf("owo")); //4
        System.out.println(s.indexOf("ak"));  //-1
        System.out.println("==========");

        // String substring(int start):从start开始截取字符串
        System.out.println(s.substring(0));  //helloworld
        System.out.println(s.substring(5));  //world
        System.out.println("==========");
        // String substring(int start,int end):从start开始，到end结束截取字符串
        System.out.println(s.substring(0,s.length()));  //helloworld
        System.out.println(s.substring(3,8));   //lowor

    }
}
3、String的转换

【常用方法】

char[] toCharArray()：把字符串转换为字符数组
String toLowerCase()：把字符串转换为小写字符串
String toUpperCase()：把字符串转换为大写字符串

【演示】

package com.string;

public class Demo06 {
    private String s;

    public static void main(String[] args) {
        //创建字符串对象
        String s = "abcde";

        //char[] toCharArray():把字符串转换为字符数组
        char[] chs = s.toCharArray();
        //1.普通for循环
        for (int i = 0; i < chs.length; i++) {
            System.out.println(chs[i]);
        }
        //2.foreach需要强转
        for (int i: chs) {
            System.out.println((char)i);
        }

        System.out.println("-----------");
        // String toLowerCase():把字符串转换为小写字符串
        System.out.println("HelloWorld".toLowerCase());
        // String toUpperCase():把字符串转换为大写字符串
        System.out.println("HelloWorld".toUpperCase());
    }
}
4、其他方法

【常用方法】

去除字符串两端空格：String trim()
按照指定符号分割字符串：String[] split(String str)

【演示】

package com.string;

public class Demo07 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建字符串对象
        String s1 = "helloworld";
        String s2 = " helloworld ";
        String s3 = " hello world ";
        System.out.println("---"+s1+"---");
        System.out.println("---"+s1.trim()+"---");
        System.out.println("---"+s2+"---");
        System.out.println("---"+s2.trim()+"---");
        System.out.println("---"+s3+"---");
        System.out.println("---"+s3.trim()+"---");
        // String[] split(String str)
        // 创建字符串对象
        String s4 = "aa,bb,cc";
        String[] s = s4.split(",");
        for (int i = 0; i < s.length; i++) {
            System.out.println(s[i]);
        }
    }
}

4、String的不可变性

当我们去阅读源代码的时候，会发现有这样的一句话：

Strings are constant; their values cannot be changed after they are created.

意思就是说：String是个常量，从一出生就注定不可变。

我想大家应该就知道为什么String不可变了，String类被final修饰，官方注释说明创建后不能被改变，但 是为什么String要使用final修饰呢？

【了解一个经典的面试题】

package com.string;

public class Demo08 {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "abc";
        String b = "abc";
        String c = new String("abc");
        System.out.println(a.equals(b));  //true
        System.out.println(a.equals(c)); //true
        System.out.println(b.equals(c)); //true
        System.out.println("=============");
        System.out.println(a==b);   //true
        System.out.println(a==c);   //false
        System.out.println(b==c);   //false
    }
}

内存图分析：

在这里插入图片描述

【分析】

​ 因为String太过常用，JAVA类库的设计者在实现时做了个小小的变化，即采用了享元模式,每当生成一个 新内容的字符串时，他们都被添加到一个共享池中，当第二次再次生成同样内容的字符串实例时，就共 享此对象，而不是创建一个新对象，但是这样的做法仅仅适合于通过=符号进行的初始化。

​ 需要说明一点的是，在object中，equals()是用来比较内存地址的，但是String重写了equals()方法，用来比较内容的，即使是不同地址，只要内容一致，也会返回true，这也就是为什么a.equals©返回true的原因了。

【String不可变的好处】

  • 可以实现多个变量引用堆内存中的同一个字符串实例，避免创建的开销。
  • 我们的程序中大量使用了String字符串，有可能是出于安全性考虑。
  • 大家都知道HashMap中key为String类型，如果可变将变的多么可怕。
  • 当我们在传参的时候，使用不可变类不需要去考虑谁可能会修改其内部的值，如果使用可变类的 话，可能需要每次记得重新拷贝出里面的值，性能会有一定的损失。

5、字符串常量池

【字符串常量池概述】

  1. 常量池表（Constant_Pool table）

    Class文件中存储所有常量（包括字符串）的table。这是Class文件中的内容，还不是运行时的内容，不要理解它是个池子，其实就是Class文件中的字节码指令。

  2. 运行时常量池（Runtime Constant Pool）

    JVM内存中方法区的一部分，这是运行时的内容。这部分内容（绝大部分）是随着JVM运行时候，从常量池转化而来，每个Class对应一个运行时常量池。上一句中说绝大部分是因为：除了Class中常量池内容，还可能包括动态生成并加入这里的内容。

  3. 字符串常量池（String Pool）

    这部分也在方法区中，但与Runtime Constant Pool不是一个概念，String Pool是JVM实例全局共享的，全局只有一个。JVM规范要求进入这里的String实例叫“被驻留的interned string”，各个JVM可以有不同的实现，HotSpot是设置了一个哈希表StringTable来引用堆中的字符串实例，被引用就是被驻留。

【享元模式】

其实字符串常量池这个问题涉及到一个设计模式，叫“享元模式”，顾名思义 - - - > 共享元素模式也就是说：一个系统中如果有多处用到了相同的一个元素，那么我们应该只存储一份此元素，而让所有地方都引用这一个元素 Java中String部分就是根据享元模式设计的，而那个存储元素的地方就叫做“字符串常量池 - String Pool”

【详细分析】

int x = 10;
String y = "hello";

  1. 首先， 10 和 “hello” 会在经过javac（或者其他编译器）编译过后变为Class文件中 constant_pool table 的内容

  2. 当我们的程序运行时，也就是说JVM运行时，每个Class constant_pool table 中的内容会被加载到JVM内存中的方法区中各自Class的 Runtime Constant Pool。

  3. 一个没有被String Pool包含的Runtime Constant Pool中的字符串（这里是"hello"）会被加入到 String Pool中（HotSpot使用hashtable引用方式），步骤如下：

  4. 在Java Heap（堆）中根据"hello"字面量create一个字符串对象

  5. 将字面量"hello"与字符串对象的引用在hashtable中关联起来键 - 值

    形式是：“hello” = 对象的引用地址。

另外来说，当一个新的字符串出现在Runtime Constant Pool中时怎么判断需不需要在Java Heap中创建 新对象呢？

策略是这样：会先去根据equals来比较Runtime Constant Pool中的这个字符串是否和String Pool中某 一个是相等的（也就是找是否已经存在），如果有那么就不创建，直接使用其引用；反之，就如同上面 的第三步。

如此，就实现了享元模式，提高的内存利用效率。

举例：

使用String s = new String("hello");会创建几个对象
答：会创建2个对象
    
首先，出现了字面量"hello"，那么去String Pool中查找是否有相同字符串存在，因为程序就这一行代码所以肯定没有，那么就在Java Heap中用字面量"hello"首先创建1个String对象。
    
接着，new String("hello")，关键字new又在Java Heap中创建了1个对象，然后调用接收String参数的构造器进行了初始化。最终s的引用是这个String对象.
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