Java String源码剖析+面试题整理-编程知识

由于字符串操作是计算机程序中最常见的操作之一，在面试中也是经常出现。本文从基本用法出发逐步深入剖析String的结构和性质，并结合面试题来帮助理解。

String基本用法

在Java中String的创建可以直接像基本类型一样定义，也可以new一个

String s1 = "Hello World"；
String s2 = new String("Hello World")；

String可以通过+实现合并

String s = "Hello"；
s += "World"；

String包装方法

为了方便操作，String包装了一堆操作，大多可以看名字直接使用

public boolean isEmpty(）//判断字符串是否为空
public int length() //获取字符串长度
public String substring(int beginIndex) //取子字符串
public String substring(int beginIndex, int endIndex) //取子字符串
public int indexOf(int ch)//查找字符，返回第一个找到的索引位置，没找到返回-1
public int indexOf(String str)//查找子串，返回第一个找到的索引位置，没找到返回-1
public int lastIndexOf(int ch)//从后面查找字符
public int lastIndexOf(String str)//从后面查找子字符串
public boolean contains(CharSequence s)//判断字符串中是否包含指定的字符序列
public boolean startsWith(String prefix) //判断字符串是否以给定子字符串开头
public boolean endsWith(String suffix) //判断字符串是否以给定子字符串结尾
public boolean equals(Object anObject) //与其他字符串比较，看内容是否相同
public boolean equalsIgnoreCase(String anotherString)//忽略大小写比较是否相同
public int compareTo(String anotherString) //比较字符串大小
public int compareToIgnoreCase(String str) //忽略大小写比较
public String toUpperCase()//所有字符转换为大写字符，返回新字符串，原字符串不变
public String toLowerCase(）//所有字符转换为小写字符，返回新字符串，原字符串不变
public String concat(String str) //字符串连接，返回当前字符串和参数字符串合并结果
public String replace(char oldChar, char newChar) //字符串替换，替换单个字符
public String replace(CharSequence target, CharSequence replacement)//字符串替换，替换字符序列，返回新字符串，原字符串不变
public String trim()//删掉开头和结尾的空格，返回新字符串，原字符串不变
public String[] split(String regex)//分隔字符串，返回分隔后的子字符串数组

String内部结构

String类内部用一个字符数组表示字符串，实例变量定义为：

private final char value[];

String有两个使用字符数组的构造方法，会根据参数新创建一个数组，并复制内容，而不会直接用参数中的字符数组。

public String(char value[])
public String(char value[], int offset, int count)

可以看出String底层是由字符数组实现，并结合构造方法实现常用方法：

length()方法返回的是这个数组的长度

indexOf()方法查找字符或子字符串时是在这个数组中进行查找

substring()方法是根据参数，调用构造方法String(char value[], int offset, int count)新建了一
个字符串

String不可变性

与包装类类似，String类也是不可变类，即对象一旦创建，就没有办法修改了。根据上面的源码，String类也声明为了final,不能被继承，内部char数组value也是final的，保存字符串的数组被 final 修饰且为私有的，并且String 类没有提供/暴露修改这个字符串的方法。String 类被 final 修饰导致其不能被继承，进而避免了子类破坏 String 不可变。

String类中提供了很多看似修改的方法，其实是通过创建新的String对象来实现的，原来的String对象不会被修改。比如，concat()方法的代码，通过Arrays.copyOf方法创建了一块新的字符数组，复制原内容，然后通过new创建了一个新的String。

public String concat(String str) {int otherLen = str.length();if(otherLen == 0) {return this;}int len = value.length;char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);str.getChars(buf, len);return new String(buf, true);
}

与包装类类似，定义为不可变类，程序可以更为简单、安全、容易理解。但如果频繁修改字符串，而每次修改都新建一个字符串，那么性能太低，这时，应该考虑Java中的另两个类StringBuilder和StringBuffer。

字符串常量

Java中的字符串常量是非常特殊的，除了可以直接赋值给String变量外，它自己就像一个String类型的对象，可以直接调用String的各种方法。

System.out.println("a".length());

实际上，这些常量就是String类型的对象，在内存中，它们被放在一个共享的地方，这个地方称为字符串常量池，它保存所有的常量字符串，每个常量只会保存一份，被所有使用者共享。当通过常量的形式使用一个字符串的时候，使用的就是常量池中的那个对应的String类型的对象。

所以下面的代码会输出true，因为是同一个对象。

String namel = "a"；
String name2 = "a"；
System.out.println(name1==name2);

需要注意的是，如果不是通过常量直接赋值，而是通过new创建，==就不会返回true了

String namel = new String("a")；
String name2 = new String("a")；
System.out.println(namel==name2);

这是因为String类中以String为参数的构造方法代码如下，hash是String类中另一个实例变量，表示缓存的hashCode值。

public String(String original) {this.value = original.value;this.hash = original.hash;
}

hash变量缓存了hashCode方法的值，也就是说，第一次调用hashCode方法的时候，会把结果保存在hash这个变量中，以后再调用就直接返回保存的值。

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; 
}

如果缓存的hash不为0，就直接返回了，否则根据字符数组中的内容计算hash,计算方法是：
s[0]*31^(n-1)+ s[1]*31^(n-2)+ ...+ s[n-1]。使用这个式子，可以让hash值与每个字符的值有关，也与每个字符的位置有关，位置i(i>=1)的因素通过31的(n-i)次方表示。使用31大致是因为两个原因：一方面可以产生更分散的散列，即不同字符串hash值也一般不同；另一方面计算效率比较高，31*h与32*h-h即(h<<5)-h等价，可以用更高效率的移位和减法操作代替乘法操作。

从下图可以看出，通过new创建name1和name2指向两个不同的String对象，只是这两个对象内部的value值指向相同的char数组。所以name1!=name2，但是name1.equals(name2)的值是true。

String的八股考点

string为什么要设计成不可变类

在Java中将 String设计成不可变的是综合考虑到各种因素的结果。主要的原因主要有以下三点：
(1)字符串常量池的需要：字符串常量池是Java堆内存中一个特殊的存储区域，当创建一个String对象时，假如此字符串值已经存在于常量池中，则不会创建一个新的对象，而是引用已经存在的对象；
(2)允许 String对象缓存 HashCode： Java中String对象的哈希码被频繁地使用，比如在HashMap等容器中。字符串不变性保证了 hash码的唯一性，因此可以放心地进行缓存。这也是一种性能优化手段，意味着不必每次都去计算新的哈希码；
(3)String被许多的 Java类（库）用来当做参数，例如：网络连接地址URL、文件路径path、还有反射机制所需要的 String参数等，假若 String不是固定不变的，将会引起各种安全隐患。

String s1 = new String("abc");这行代码创建了几个对象

如果字符串常量池中不存在字符串对象“abc”的引用，那么它会在堆上创建两个字符串对象，其中一个字符串对象的引用会被保存在字符串常量池中。

如果字符串常量池中已存在字符串对象“abc”的引用，则只会在堆中创建 1 个字符串对象“abc”。

String a = new String("aa") + "bb";这行代码创建了多少个对象

共创建了3-4个String对象，假设常量池中没有对象“aa”，第一个是常量池中的对象“aa”,如果常量池中没有就创建并添加进常量池中。第二个是new出来的以“aa”为初始值创建的 String对象，第三个“bb”同“aa”,第四个是通过“+”拼接前两个对象，创建出的新String对象。

String的equals() 和 Object的equals() 有何区别

String 中的 equals 方法是被重写过的，比较的是 String 字符串的值是否相等。 Object 的 equals 方法是比较的对象的内存地址。

String对象最多可以存放多少个字符

String在源码中使用 char[]来维护字符序列的，而char[]的长度是 int类型，所以理论上 String的长度最大为2^31-1，占用空间大约为4GB,不过根据实际JVM的堆内存限制，编译时，String长度最多可以是2的16次方减2，运行时长度最多可以是2的31次方减1，意思是可以在编译时定义一些短的字符串，运行时可以进行拼接，长一点也可以。

string常量池放在哪

Java 8以前被放在永久代中，Java 8及以后被放在方法区的元数据 metadata中。

String str = "i" 和 String str = new String("i")有什么区别

不一样，因为内存的分配方式不一样。String str =“i”的方式，Java虚拟机会将其分配到常量池中；而String str = new String(“i")则会被分到堆内存中。

public class StringTest {public static void main(String[] args) {String strl = "abc";String str2 = "abc";String str3 = new String("abc");String str4 = new String("abc");System.out.println(str1 == str2); // trueSystem.out.println(str1 == str3); // falseSystem.out.println(str3 = str4); // falseSystem.out.println(str3.equals(str4)); // true

在执行String str1=“abc”的时候，JVM会首先检查字符串常量池中是否已经存在该字符串对象，如果已经存在，那么就不会再创建了，直接返回该字符串在字符串常量池中的内存地址；如果该字符串还不存在字符串常量池中，那么就会在字符串常量池中创建该字符串对象，然后再返回。所以在执行Stringstr2=“abc”的时候，因为字符串常量池中已经存在“abc”字符串对象了，就不会在字符串常量池中再次创建了，所以栈内存中str1和str2的内存地址都是指向“abc”在字符串常量池中的位置，所以str1=str2 的运行结果为 true。

而在执行 String str3 = new String(“abc")的时候，JVM会首先检查字符串常量池中是否已经存在“abc”字符串，如果已经存在，则不会在字符串常量池中再创建了；如果不存在，则就会在字符串常量池中创建“abc”字符串对象，然后再到堆内存中再创建一份字符串对象，把字符串常量池中的“abc”字符串内容拷贝到内存中的字符串对象中，然后返回堆内存中该字符串的内存地址，即栈内存中存储的地址是堆内存中对象的内存地址。String str4 = newString(“abc”)是在堆内存中又创建了一个对象，所以 str3 == str4运行的结果是 false。