Java中的`String`类是如何实现其不可变性的？

八股文_Java基础

参考回答**

Java 中的 String 类是 不可变类（Immutable Class），即其内容在创建后无法被修改。不可变性通过以下几个关键设计实现，确保了 String 的安全性和高效性。

详细讲解与拓展

1. 字段声明为`final`

String 类的字符内容存储在一个 char[] 数组中，并且这个字段被声明为final，确保了字符数组的引用不可改变。

源码（JDK 8 中的String类）：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    private final char value[];
    private final int hash; // 缓存的hash值
}

final关键字：
- final char[] value 表示 value 引用不可更改，即它必须指向同一个字符数组。
- 但需要注意：final 只保证引用不可变，不保证数组内容不可变，因此还需要其他手段来实现字符串的不可变性。

2. 字符数组私有化

value 被声明为 private，外部无法直接访问和修改这个数组。

私有化字段是实现不可变性的重要设计。由于外部无法直接访问 value，无法更改数组的内容。

如果将 value 设为 public：

public char[] value;

这样外部代码可以直接修改内容，导致不可变性失效。

3. 不提供修改内容的方法

String 类中所有操作字符串的方法（如substring、concat等）都不会直接修改原有字符串，而是会返回一个新的 String 对象。

例如：

String s1 = "Hello";
String s2 = s1.concat(" World");
System.out.println(s1); // 输出：Hello
System.out.println(s2); // 输出：Hello World

concat 方法的实现（JDK 8）：

public String concat(String str) {
  if (str.isEmpty()) {
      return this;
  }
  int otherLen = str.length();
  char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
  str.getChars(buf, len);
  return new String(buf, true); // 创建新的字符串对象
}

原字符串 s1 不会被修改，而是通过复制 value 数组创建了一个新的 String 对象。

4. `hashCode` 的缓存

String 的不可变性还允许其对 hashCode 进行缓存。因为字符串一旦创建，其内容就不会改变，因此计算出的哈希值也不会变化。

源码（JDK 8）：

public int hashCode() {
    int h = hash;
    if (h == 0 && value.length > 0) {
        char val[] = value;
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            h = 31 * h + val[i];
        }
        hash = h;
    }
    return h;
}

作用：
- 避免重复计算 hashCode，提高性能。
特别适合 HashMap 和 HashSet 等基于哈希表的数据结构中用作键值。

5. 字符串常量池

String 的不可变性使得 字符串常量池（String Pool） 能够被安全地使用。

字符串常量池 是 JVM 内存中的一块区域，用于存储创建的字符串常量。如果两个字符串的内容相同，JVM 会将它们指向同一个对象，从而节省内存。

例如：

String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";
System.out.println(s1 == s2); // 输出：true

由于 String 是不可变的，多个引用指向同一个字符串对象不会导致数据污染。如果 String 可变，修改其中一个引用会影响其他引用，导致难以调试的错误。

6. 克服字符数组内容被修改的可能性

尽管 final 保证了 value 的引用不可变，但数组本身是可变的。为了避免 value 被间接修改，String 类对外部操作做了如下处理：

复制数组（防止外部修改） 在某些方法中，String 会复制字符数组，避免将内部数组暴露出去。例如：
```
public String(char value[]) {
   this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
```

使用 Arrays.copyOf 复制传入的数组，确保外部的数组修改不会影响 String 对象。

不可变方法 通过只提供只读的方法，确保字符串内容不会被直接修改。例如，charAt 方法只是返回字符，不会更改数组内容。

7. 为什么要实现不可变性？

线程安全
- String 的不可变性使其天然线程安全，可以在多线程环境中安全共享，无需同步。
- 例如：在HashMap中，如果字符串作为键，不可变性确保了键的内容在存储和查找过程中不会变化。
安全性
- 不可变的字符串在许多安全场景下非常重要。例如：
  - 数据库连接 URL。
  - 文件路径。
  - 加密算法的密钥。
- 不可变性确保这些数据不会被恶意代码或错误代码修改。
内存效率
- 字符串常量池通过共享相同内容的字符串对象，极大地节省了内存空间。
- 如果字符串可变，每次操作都可能导致数据污染，无法使用常量池优化。
支持缓存优化
- 不可变字符串支持缓存其哈希值等计算结果，减少重复计算，提高性能。
- 特别是在 HashMap 中，字符串作为键时表现尤为高效。
调试方便
- 不可变性使得字符串更易于追踪和调试，减少了意外修改引起的错误。

总结

Java 中的 String 类通过以下设计实现了不可变性：

使用 final 修饰 value 字段，保证引用不可更改。
将 value 声明为 private，防止直接访问。
不提供修改内部内容的方法，所有操作返回新对象。
在构造函数和其他方法中复制传入的数组，避免外部修改影响。
利用不可变性支持字符串常量池和 hashCode 缓存优化。

参考回答**

详细讲解与拓展

1. 字段声明为final

2. 字符数组私有化

3. 不提供修改内容的方法

4. hashCode 的缓存

5. 字符串常量池

6. 克服字符数组内容被修改的可能性

7. 为什么要实现不可变性？

总结

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1. 字段声明为`final`

4. `hashCode` 的缓存

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