在JDK 9中，为什么`String`类的内部实现从`char[]`改为了`byte[]`？这样做有什么好处？

八股文_Java基础

参考回答

在 JDK 9 中，String 类的内部实现从 char[] 改为了 byte[]。这种优化被称为 “Compact Strings”（紧凑字符串），旨在提高内存使用效率和性能。

原因：

在大多数场景中，字符串的内容仅包含单字节字符（如 ASCII 或 ISO-8859-1）。
使用 char[] 表示每个字符会占用 2 个字节（因为 char 是 16 位），这对单字节字符是一种浪费。

好处：

减少内存使用：
- 对于仅包含单字节字符的字符串，可以用 byte[] 存储，每个字符占用 1 个字节。
- 即使是多字节字符，也可以通过额外的标记字段正确处理。
提高性能：
- 更少的内存占用意味着更高的缓存命中率，字符串操作（如比较、复制）更快。
兼容性：
- 外部行为没有改变，仍然可以通过 charAt() 等方法访问字符。

详细讲解与拓展

1. JDK 8 的 `String` 实现

在 JDK 8 及之前，String 的实现如下：

public final class String {
    private final char[] value; // 存储字符串内容
    private final int offset;   // 字符数组的偏移量
    private final int count;    // 字符串的长度
}

每个 char 占用 2 个字节（16 位）。
无论字符串内容是单字节字符（如 ASCII），还是双字节字符，都会以 char[] 存储，导致内存浪费。

示例：一个字符串 "abc"：

在 JDK 8 中存储为一个长度为 3 的 char[]，占用 6 字节（3 个字符 × 2 字节）。
实际上，只需要 3 字节即可表示这些 ASCII 字符。

2. JDK 9 的 `String` 实现

在 JDK 9 中，String 的实现发生了变化：

public final class String {
    private final byte[] value;  // 用 byte 数组存储字符串内容
    private final byte coder;    // 编码标志，指示使用单字节还是双字节编码
}

value：存储字符串的内容，改为 byte[]。
coder：表示编码方式，取值为以下之一：
0：LATIN1 编码（每个字符占 1 个字节）。
- 1：UTF16 编码（每个字符占 2 个字节）。
优化逻辑：
- 如果字符串内容只包含单字节字符（如 ASCII 或 ISO-8859-1），使用 LATIN1。
如果字符串内容包含多字节字符（如中文、日文），使用 UTF16。

示例：

对于 “abc”（ASCII 字符）：
- 存储为 byte[]，长度为 3（每个字符占 1 字节）。
对于 “你好”（中文字符）：
- 存储为 byte[]，长度为 4（每个字符占 2 字节）。

3. 好处详解

1. 内存节省

由于字符串的普遍性，优化 String 的内存使用会显著提高应用程序的内存效率。

数据统计：

在许多应用场景中，大部分字符串是由单字节字符组成（如 Web 应用中经常出现的 URL、JSON 数据等）。
使用 byte[] 存储单字节字符串，可以节省约 50% 的内存。

对比：

JDK 8：每个 char 占用 2 字节。
JDK 9：对于单字节字符，每个字符只占用 1 字节。

2. 性能提升

更小的内存占用带来了以下性能优势：

更高的 缓存命中率：字符串占用更小的内存，意味着更多的数据可以缓存到 CPU 的 L1/L2 缓存中。
更高效的字符串操作：
- 比较字符串时，处理单字节的 byte[] 比处理双字节的 char[] 更快。
- 字符串复制（如子字符串操作）会更高效。

3. 向后兼容

JDK 9 的 String 实现对外行为没有改变：

charAt() 方法仍然返回 char 类型。
字符串的常用方法（如 length()、equals()）的 API 和行为保持一致。

虽然内部存储从 char[] 改为 byte[]，但这些方法会根据 coder 的值动态解码：

如果 coder == 0，按单字节处理。
如果 coder == 1，按双字节处理。

4. 可能的缺点

尽管 Compact Strings 提高了效率，但也有一些潜在的缺点：

额外的逻辑判断：
- 每次调用 charAt() 或 substring() 等方法时，需要检查 coder 的值，以决定是单字节还是双字节处理，可能增加微小的开销。
多字节字符串未受益：
- 如果字符串主要是双字节字符（如中文、日文、韩文等），Compact Strings 无法节省内存。
复杂性增加：
- 内部存储需要支持两种编码方式，增加了实现的复杂性。

5. 实际应用效果

内存节省的统计

在一些典型的 Java 应用中，Compact Strings 的优化效果显著：

Java 应用场景：
- Web 应用程序中，许多字符串（如 HTTP Headers、URLs、JSON 数据等）是 ASCII 编码。
- 数据库驱动中，许多字段名和数据值是单字节字符。
性能报告（Oracle 提供的统计数据）：
- 应用程序中字符串内存占用减少 25%-50%。
- 在某些基准测试中，字符串操作的性能提高了约 10%-15%。

6. 相关代码示例

JDK 9 中 String 实现的简化示例：

public final class String {
    private final byte[] value;  // 存储字符串内容
    private final byte coder;    // 0: LATIN1, 1: UTF16

    public char charAt(int index) {
        if (coder == 0) {
            // LATIN1: 单字节处理
            return (char) (value[index] & 0xFF);
        } else {
            // UTF16: 双字节处理
            return (char) ((value[index * 2] << 8) | (value[index * 2 + 1] & 0xFF));
        }
    }
}

测试示例：

public class CompactStringExample {
    public static void main(String[] args) {
        String asciiString = "Hello";
        String utf16String = "你好";

        System.out.println("ASCII String length: " + asciiString.length());
        System.out.println("UTF-16 String length: " + utf16String.length());
    }
}

7. 总结

JDK 9 的 String 改进（Compact Strings）通过将内部存储从 char[] 改为 byte[]，显著节省了内存，尤其是在处理单字节字符串时。
主要优点：
- 减少内存占用（单字节字符节省 50% 内存）。
- 提高字符串操作性能。
影响：
- 向后兼容，对外行为不变。
- 在多字节字符场景（如中文）下无明显收益。