为什么String被设计为不可变?是否真的不可变？

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mb5fcdf2add9b6a 2018-06-19 21:07:00

文章标签 string类数组 java 成员变量不可变对象 文章分类 Java 后端开发

1 对象不可变定义

不可变对象是指对象的状态在被初始化以后，在整个对象的生命周期内，不可改变。

2 如何不可变

通常情况下，在java中通过以下步骤实现不可变

对于属性不提供设值方法
所有的属性定义为private final
类声明为final不允许继承
Return deep cloned objects with copied content for all mutable fields in class

注意：不用final关键字也可以实现对象不可变，使用final只是显示的声明，提示开发者和编译器为不可变。

3 Java中典型的不可变类为String类

为什么String被设计为不可变？

安全首要原因是安全，不仅仅体现在你的应用中，而且在JDK中，Java的类装载机制通过传递的参数（通常是类名）加载类，这些类名在类路径下，想象一下，假设String是可变的，一些人通过自定义类装载机制分分钟黑掉应用。如果没有了安全，Java不会走到今天
性能 string不可变的设计出于性能考虑，当然背后的原理是string pool，当然string pool不可能使string类不可变，不可变的string更好的提高性能。
线程安全当多线程访问时，不可变对象是线程安全的，不需要什么高深的逻辑解释，如果对象不可变，线程也不能改变它。

4 为什么String是不可变

区分对象和对象的引用

对于Java初学者，对于String是不可变对象总是存有疑惑。看下面代码：

		String s = "ABCabc";
		System.out.println("s = " + s);
		
		s = "123456";
		System.out.println("s = " + s);

　　输出结果：

s = ABCabc

s = 123456

首先创建一个String对象s，然后让s的值为“ABCabc”，然后又让s的值为“123456”。从打印结果可以看出，s的值确实改变了。那么怎么还说String对象是不可变的呢？其实这里存在一个误区： s只是一个String对象的引用，并不是对象本身。对象在内存中是一块内存区，成员变量越多，这块内存区占的空间越大。引用只是一个4字节的数据，里面存放了它所指向的对象的地址，通过这个地址可以访问对象。

也就是说，s只是一个引用，它指向了一个具体的对象，当s=“123456”; 这句代码执行过之后，又创建了一个新的对象“123456”，而引用s重新指向了这个心的对象，原来的对象“ABCabc”还在内存中存在，并没有改变。内存结构如下图所示：

为什么String被设计为不可变?是否真的不可变？_数组

为什么String对象是不可变的？

要理解String的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。在JDK1.6中，String的成员变量有以下几个：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
{
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** The offset is the first index of the storage that is used. */
    private final int offset;

    /** The count is the number of characters in the String. */
    private final int count;

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

　　在JDK1.7中，String类做了一些改动，主要是改变了substring方法执行时的行为，这和本文的主题不相关。JDK1.7中String类的主要成员变量就剩下了两个：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

　　由以上的代码可以看出，在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的所有字符都是属于String这个对象的。这个改变不影响本文的讨论。除此之外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，这个成员变量也和本文的讨论无关。在Java中，数组也是对象。所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的：

为什么String被设计为不可变?是否真的不可变？_数组_02

value，offset和count这三个变量都是private的，并且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改，并且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的，也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了，也不能被改变。所以可以认为String对象是不可变的了。

那么在String中，明明存在一些方法，调用他们可以得到改变后的值。这些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如如下代码：

		
		String a = "ABCabc";
		System.out.println("a = " + a);
		a = a.replace('A', 'a');
		System.out.println("a = " + a);

　　输出结果：

a = ABCabc

a = aBCabc

那么a的值看似改变了，其实也是同样的误区。再次说明， a只是一个引用，不是真正的字符串对象，在调用a.replace('A', 'a')时，方法内部创建了一个新的String对象，并把这个心的对象重新赋给了引用a。

		String ss = "123456";
		
		System.out.println("ss = " + ss);
		
		ss.replace('1', '0');
		
		System.out.println("ss = " + ss);

打印结果：

ss = 123456
ss = 123456

String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。

那么用什么方式可以访问私有成员呢？没错，用反射，可以反射出String对象中的value属性，进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。下面是实例代码：

	public static void testReflection() throws Exception {
		
		//创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s
		String s = "Hello World"; 
		
		System.out.println("s = " + s);	//Hello World
		
		//获取String类中的value字段
		Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");
		
		//改变value属性的访问权限
		valueFieldOfString.setAccessible(true);
		
		//获取s对象上的value属性的值
		char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
		
		//改变value所引用的数组中的第5个字符
		value[5] = '_';
		
		System.out.println("s = " + s);  //Hello_World
	}

打印结果为：

s = Hello World
s = Hello_World

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化，也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变，那么就不能很好的保证Car对象不可变。