深入学习String源码与底层（一）
前言
不想成为一个只会使用API的攻城狮，也不甘于现状想深入学习JDK。
【版本JDK1.8】
正文
1 基础
1.1 String的修饰符与实现类
打开String源码，可以看到String类的由final修饰的，并且实现了Serializable，Comparable，CharSequence接口。
public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
}- String类是由final修饰的，表明String类不能被继承，并且String类中的成员方法都默认是final方法。
- String类是由final修饰的，表明String类一旦被创建，就无法改变，对String对象的任何操作都不会影响到原对象，任何的change操作都会产生新的String对象。
1.2 String类的成员变量
public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
private final char value[];
private int hash; // Default to 0
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields =
new ObjectStreamField[0];
}1.2.1 String是通过char数组来保存字符串的
由于String由final修饰的，所以String的值一旦创建就无法更改，String的值就被保存在了char数组里了。
1.2.2 String类的属性hash
hash值将用于String类的hashCode()方法的计算，这里先不作具体讲解。
1.2.3 serialVersionUID属性作为String类的序列化ID
1.2.4 serialPersistentFields属性
了解过JAVA序列化的，应该清楚transient是用于指定哪个字段不被默认序列化，对于不需要序列化的属性直接用transient修饰即可。而serialPersistentFields用于指定哪些字段需要被默认序列化，具体用法如下：
private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields = {
new ObjectStreamField("name", String.class),
new ObjectStreamField("age", Integer.Type)
}这里需要另外注意的是，如果同时定义了serialPersistentFields与transient，transient会被忽略。
1.3 创建String对象
直接使用""，换句话说就是使用"字面量"赋值
String name = "bruis";使用连接符"+"来赋值
String name = "ca" + "t";使用关键字new来创建对象
String name = new String("bruis");除了上面最常见的几种创建String对象的方式外，还有以下方法可以创建String对象
- 使用clone()方法
- 使用反射
- 使用反序列化
1.4 String被设计为不可变性的原因
主要是为了“效率” 和 “安全性” 的缘故。若 String允许被继承, 由于它的高度被使用率, 可能会降低程序的性能，所以String被定义成final。
由于字符串常量池的存在，为了更有效的管理和优化字符串常量池里的对象，将String设计为不可变性。
安全性考虑。因为使用字符串的场景非常多，设计成不可变可以有效的防止字符串被有意或者无意的篡改。
作为HashMap、HashTable等hash型数据key的必要。因为不可变的设计，jvm底层很容易在缓存String对象的时候缓存其hashcode，这样在执行效率上会大大提升。
2 深入String
2.1 先了解一下JAVA内存区域
JAVA的运行时数据区包括以下几个区域：
- 方法区（Method Area）
- Java堆区（Heap）
- 本地方法栈（Native Method Stack）
- 虚拟机栈（VM Stack）
- 程序技术器（Program Conter Register）
具体内容不在这里进行介绍。为方便读者能够理解下面的内容，请学习下总结Java内存区域和常量池
对于String类来说，存在一个字符串常量池，对于字符串常量池，在HotSpot VM里实现的string pool功能的是一个StringTable类，它是一个哈希表，里面存的是驻留字符串(也就是我们常说的用双引号括起来的)的引用（而不是驻留字符串实例本身），也就是说在堆中的某些字符串实例被这个StringTable引用之后就等同被赋予了”驻留字符串”的身份。这个StringTable在每个HotSpotVM的实例只有一份，被所有的类共享。
总结一下：
- 字符串常量池在每个VM中只有一份，存放的是字符串常量的引用值。
- 字符串常量池——string pool，也叫做string literal pool。
- 字符串池里的内容是在类加载完成，经过验证，准备阶段之后在堆中生成字符串对象实例，然后将该字符串对象实例的引用值存到string pool中。
- string pool中存的是引用值而不是具体的实例对象，具体的实例对象是在堆中开辟的一块空间存放的。
2.2 String与JAVA内存区域
下面看看使用""和new的方式创建的字符串在底层都发生了些什么
public class TestString {
public static void main(String[] args) {
String name = "bruis";
String name2 = "bruis";
String name3 = new String("bruis");
//System.out.println("name == name2 : " + (name == name2));// true
//System.out.println("name == name3 : " + (name == name3));// false
}
}因为语句String name = “bruis”;已经将创建好的字符串对象存放在了常量池中，所以name引用指向常量池中的"bruis"对象，而name2就直接指向已经存在在常量池中的"bruis"对象，所以name和name2都指向了同一个对象。这就能理解为什么name == name2 为true了。
使用new 方式创建字符串。首先会在堆上创建一个对象，然后判断字符串常量池中是否存在字符串的常量，如果不存在则在字符串常量池上创建常量；如果没有则不作任何操作。所以name是指向字符串常量池中的常量，而name3是指向堆中的对象，所以name == name3 为false。
下面来看看反编译之后的内容，使用命令
javap -c TestStringTestString类进行反编译。
进入TestString.class的目录下，对TestString类进行反编译
$ javap -c TestString.class
Compiled from "TestString.java"
public class org.springframework.core.env.TestString {
public org.springframework.core.env.TestString();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
public static void main(java.lang.String[]);
Code:
0: ldc #2 // String bruis
2: astore_1
3: ldc #2 // String bruis
5: astore_2
6: new #3 // class java/lang/String
9: dup
10: ldc #2 // String bruis
12: invokespecial #4 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
15: astore_3
16: return
}从反编译的结果中可以看到，首先是进行无参构造方法的调用。
0: aload_0 // 表示对this进行操作，把this装在到操作数栈中
1: invokespecial #1 // 调用<init>
0: ldc #2 //将常量池中的bruis值加载到虚拟机栈中
2: astore_1 //将0中的引用赋值给第一个局部变量，即String name="bruis"
3: ldc #2 //将常量池中的bruis值加载到虚拟机栈中
5: astore_2 //将3中的引用赋值给第二个局部变量，即String name2= "bruis"
6: new //调用new指令，创建一个新的String对象，并存入堆中。因为常量池中已经存在了"bruis"，所以新创建的对象指向常量池中的"bruis"
9: dup //复制引用并并压入虚拟机栈中
10: ldc //加载常量池中的"bruis"到虚拟机栈中
12: invokespecial //调用String类的构造方法
15: astore_3 //将引用赋值给第三个局部变量，即String name3=new String("bruis")使用如下命令来查看常量池的内容
javap -verbose TestString结果如下：
$ javap -verbose TestString
▒▒▒▒: ▒▒▒▒▒▒▒ļ▒TestString▒▒▒▒org.springframework.core.env.TestString
Classfile /D:/bruislearningcode/springframeworksources/spring-framework-master/spring-framework-master/out/test/classes/org/springframework/core/env/TestString.class
Last modified 2019-7-3; size 600 bytes
MD5 checksum 85315424cab60ed8f47955dfd577f6e0
Compiled from "TestString.java"
public class org.springframework.core.env.TestString
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #6.#24 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = String #25 // bruis
#3 = Class #26 // java/lang/String
#4 = Methodref #3.#27 // java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #28 // org/springframework/core/env/TestString
#6 = Class #29 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 Lorg/springframework/core/env/TestString;
#14 = Utf8 main
#15 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#16 = Utf8 args
#17 = Utf8 [Ljava/lang/String;
#18 = Utf8 name
#19 = Utf8 Ljava/lang/String;
#20 = Utf8 name2
#21 = Utf8 name3
#22 = Utf8 SourceFile
#23 = Utf8 TestString.java
#24 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#25 = Utf8 bruis
#26 = Utf8 java/lang/String
#27 = NameAndType #7:#30 // "<init>":(Ljava/lang/String;)V
#28 = Utf8 org/springframework/core/env/TestString
#29 = Utf8 java/lang/Object
#30 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
{
public org.springframework.core.env.TestString();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 5 0 this Lorg/springframework/core/env/TestString;
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=3, locals=4, args_size=1
0: ldc #2 // String bruis
2: astore_1
3: ldc #2 // String bruis
5: astore_2
6: new #3 // class java/lang/String
9: dup
10: ldc #2 // String bruis
12: invokespecial #4 // Method java/lang/String."<init>":(Ljava/lang/String;)V
15: astore_3
16: return
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 3
line 7: 6
line 10: 16
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 17 0 args [Ljava/lang/String;
3 14 1 name Ljava/lang/String;
6 11 2 name2 Ljava/lang/String;
16 1 3 name3 Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "TestString.java"可以看到值"bruis"已经存放在了常量池中了
#2 = String #25 // bruis以及局部变量表LocalVariableTable中存储的局部变量：
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 17 0 args [Ljava/lang/String;
3 14 1 name Ljava/lang/String;
6 11 2 name2 Ljava/lang/String;
16 1 3 name3 Ljava/lang/String;这里有一个需要注意的地方，在java中使用"+“连接符时，一定要注意到”+“的连接符效率非常低下，因为”+"连接符的原理就是通过StringBuilder.append()来实现的。所以如：String name = “a” + “b”;在底层是先new 出一个StringBuilder对象，然后再调用该对象的append()方法来实现的，调用过程等同于：
// String name = "a" + "b";
String name = new StringBuilder().append("a").append("b").toString();可以通过反编译来验证，这里就不再进行验证了。
2.3 String的intern方法
官方文档解释为字符串常量池由String独自维护，当调用intern()方法时，如果字符串常量池中包含该字符串，则直接返回字符串常量池中的字符串。否则将此String对象添加到字符串常量池中，并返回对此String对象的引用。
下面先看看这几句代码，猜猜结果是true还是false
String a1 = new String("AA") + new String("BB");
System.out.println("a1 == a1.intern() " + (a1 == a1.intern()));
String test = "ABABCDCD";
String a2 = new String("ABAB") + new String("CDCD");
String a3 = "ABAB" + "CDCD";
System.out.println("a2 == a2.intern() " + (a2 == a2.intern()));
System.out.println("a2 == a3 " + (a2 == a3));
System.out.println("a3 == a2.intern() " + (a3 == a2.intern()));2.3.1 重新理解使用new和字面量创建字符串的两种方式
- 使用字面量的方式创建字符串
使用字面量的方式创建字符串，要分两种情况。
① 如果字符串常量池中没有值，则直接创建字符串，并将值存入字符串常量池中；
String name = "bruis";对于字面量形式创建出来的字符串，JVM会在编译期时对其进行优化并将字面量值存放在字符串常量池中。运行期在虚拟机栈栈帧中的局部变量表里创建一个name局部变量，然后指向字符串常量池中的值，如图所示：
② 如果字符常量池中存在字面量值，此时要看这个是真正的字符串值还是引用。如果是字符串值则将局部变量指向常量池中的值；否则指向引用指向的地方。比如常量池中的值时指向堆中的引用，则name变量为将指向堆中的引用，如图所示：
使用new的方式创建字符串
String name = new String("bruis");
首先在堆中new出一个对象，然后常量池中创建一个指向堆中"bruis"的引用。
2.3.2 解析
/**
* 首先对于new出的两个String()对象进行字符串连接操作，编译器无法进行优化，只有等到运行期期间，通过各自的new操作创建出对象之后，然后使 用"+"连接符拼接字符串，再从字符串常量池中创建三个分别指向堆中"AA"、"BB"，而"AABB"是直接在池中创建的字面量值，这一点可以通过类的反编译来证明，这里就不具体展开了。
*/
String a7 = new String("AA") + new String("BB");
System.out.println("a7 == a7.intern() " + (a7 == a7.intern())); //true
/**
* 对于下面的实例，首先在编译期就是将"ABABCDCD"存入字符串常量池中，其对于"ABABCDCD"存入的是具体的字面量值，而不是引用。
* 因为在编译器在编译期无法进行new 操作，所以就无法知道a8的地址，在运行期期间，使用a8.intern()可以返回字符串常量池的字面量。而a9
* 在编译期经过编译器的优化，a9变量会指向字符串常量池中的"ABABCDCD"。所以a8 == a8.intern()为false；a8 == a9为false；a9 == a8.intern()为
* true。
*/
String test = "ABABCDCD";
String a8 = new String("ABAB") + new String("CDCD");
String a9 = "ABAB" + "CDCD";
System.out.println("a8 == a8.intern() " + (a8 == a8.intern())); //false
System.out.println("a8 == a9 " + (a8 == a9)); //false
System.out.println("a9 == a8.intern() " + (a9 == a8.intern())); //true针对于编译器优化，总结以下两点：
- 常量可以被认为运行时不可改变，所以编译时被以常量折叠方式优化。
- 变量和动态生成的常量必须在运行时确定值，所以不能在编译期折叠优化
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