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Java String 对象,你真的了解了吗?

String 对象的实现

String对象是 Java 中使用最频繁的对象之一,所以 Java 公司也在不断的对String对象的实现进行优化,以便提升String对象的性能,看下面这张图,一起了解一下String对象的优化过程。

string对象实现过程.jpg
1. 在 Java6 以及之前的版本中

String对象是对 char 数组进行了封装实现的对象,主要有四个成员变量: char 数组、偏移量 offset、字符数量 count、哈希值 hash。

String对象是通过 offset 和 count 两个属性来定位 char[] 数组,获取字符串。这么做可以高效、快速地共享数组对象,同时节省内存空间,但这种方式很有可能会导致内存泄漏。

2. 从 Java7 版本开始到 Java8 版本

从 Java7 版本开始,Java 对String类做了一些改变。String类中不再有 offset 和 count 两个变量了。这样的好处是String对象占用的内存稍微少了些,同时 String.substring 方法也不再共享 char[],从而解决了使用该方法可能导致的内存泄漏问题。

3. 从 Java9 版本开始

将 char[] 数组改为了 byte[] 数组,为什么需要这样做呢?我们知道 char 是两个字节,如果用来存一个字节的字符有点浪费,为了节约空间,Java 公司就改成了一个字节的byte来存储字符串。这样在存储一个字节的字符是就避免了浪费。

在 Java9 维护了一个新的属性 coder,它是编码格式的标识,在计算字符串长度或者调用 indexOf() 函数时,需要根据这个字段,判断如何计算字符串长度。coder 属性默认有 0 和 1 两个值, 0 代表Latin-1(单字节编码),1 代表 UTF-16 编码。如果 String判断字符串只包含了 Latin-1,则 coder 属性值为 0 ,反之则为 1。

String 对象的创建方式

1、通过字符串常量的方式

String str= "pingtouge"的形式,使用这种形式创建字符串时, JVM 会在字符串常量池中先检查是否存在该对象,如果存在,返回该对象的引用地址,如果不存在,则在字符串常量池中创建该字符串对象并且返回引用。使用这种方式创建的好处是:避免了相同值的字符串重复创建,节约了内存

2、String()构造函数的方式

String str = new String("pingtouge")的形式,使用这种方式创建字符串对象过程就比较复杂,分成两个阶段,首先在编译时,字符串pingtouge会被加入到常量结构中,类加载时候就会在常量池中创建该字符串。然后就是在调用new()时,JVM 将会调用String的构造函数,同时引用常量池中的pingtouge字符串,

在堆内存中创建一个String对象并且返回堆中的引用地址。

了解了String对象两种创建方式,我们来分析一下下面这段代码,加深我们对这两种方式的理解,下面这段代码片中,str是否等于str1呢?

  String str = "pingtouge";
  String str1 = new String("pingtouge");
  system.out.println(str==str1)

我们逐一来分析这几行代码,首先从String str = "pingtouge"开始,这里使用了字符串常量的方式创建字符串对象,在创建pingtouge字符串对象时,JVM会去常量池中查找是否存在该字符串,这里的答案肯定是没有的,所以JVM将会在常量池中创建该字符串对象并且返回对象的地址引用,所以str指向的是pingtouge字符串对象在常量池中的地址引用。

然后是String str1 = new String("pingtouge")这行代码,这里使用的是构造函数的方式创建字符串对象,根据我们上面对构造函数方式创建字符串对象的理解,str1得到的应该是堆中pingtouge字符串的引用地址。由于str指向的是pingtouge字符串对象在常量池中的地址引用而str1指向的是堆中pingtouge字符串的引用地址,所以str肯定不等于str1

String 对象的不可变性

从我们知道String对象的那一刻起,我想大家都知道了String对象是不可变的。那它不可变是怎么做到的呢?Java 这么做能带来哪些好处?我们一起来简单的探讨一下,先来看看String 对象的一段源码:

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

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
    }

从这段源码中可以看出,String类用了 final 修饰符,我们知道当一个类被 final 修饰时,表明这个类不能被继承,所以String类不能被继承。这是String不可变的第一点

再往下看,用来存储字符串的char value[]数组被privatefinal修饰,我们知道对于一个被final的基本数据类型的变量,则其数值一旦在初始化之后便不能更改。这是String不可变的第二点。

Java 公司为什么要将String设置成不可变的,主要从以下三方面考虑:

  • 1、保证 String 对象的安全性。假设 String 对象是可变的,那么 String 对象将可能被恶意修改。
  • 2、保证 hash 属性值不会频繁变更,确保了唯一性,使得类似 HashMap 容器才能实现相应的 key-value 缓存功能。
  • 3、可以实现字符串常量池

String 对象的优化

字符串是我们常用的Java类型之一,所以对字符串的操作也是避免不了的,在对字符串的操作过程中,如果使用不当,性能会天差地别。那么在字符串的操作过程中,有哪些地方需要我们注意呢?

优雅的拼接字符串

字符串的拼接是对字符串操作使用最频繁的操作之一,由于我们知道String对象的不可变性,所以我们在做拼接时尽可能少的使用+进行字符串拼接或者说潜意识里认为不能使用+进行字符串拼接,认为使用+进行字符串拼接会产生许多无用的对象。事实真的是这样吗?我们来做一个实验。我们使用+来拼接下面这段字符串。

String str8 = "ping" +"tou"+"ge";

一起来分析一下这段代码会产生多少个对象?如果按照我们理解的意思来分析的话,首先会创建ping对象,然后创建pingtou对象,最后才会创建pingtouge对象,一共创建了三个对象。真的是这样吗?其实不是这样的,Java 公司怕我们程序员手误,所以对编译器进行了优化,上面的这段字符串拼接会被我们的编译器优化,优化成一个String str8 = "pingtouge";对象。除了对常量字符串拼接做了优化以外,对于使用+号动态拼接字符串,编译器也做了相应的优化,以便提升String的性能,例如下面这段代码:

String str = "pingtouge";

for(int i=0; i<1000; i++) {
      str = str + i;
}

编译器会帮我们优化成这样

String str = "pingtouge";

for(int i=0; i<1000; i++) {
        	  str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
}

可以看出 Java 公司对这一块进行了不少的优化,防止由于程序员不小心导致String性能急速下降,尽管 Java 公司在编译器这一块做了相应的优化,但是我们还是能看出 Java 公司优化的不足之处,在动态拼接字符串时,虽然使用了 StringBuilder 进行字符串拼接,但是每次循环都会生成一个新的 StringBuilder 实例,同样也会降低系统的性能。

所以我们在做字符串拼接时,我们需要从代码的层面进行优化,在动态的拼接字符串时,如果不涉及到线程安全的情况下,我们显示的使用 StringBuilder 进行拼接,提升系统性能,如果涉及到线程安全的话,我们使用 StringBuffer 来进行字符串拼接

巧妙的使用 intern() 方法

     * <p>
     * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
     * string equal to this {@code String} object as determined by
     * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
     * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
     * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
     * <p>
     public native String intern();

这是 intern() 函数的官方注释说明,大概意思就是 intern 函数用来返回常量池中的某字符串,如果常量池中已经存在该字符串,则直接返回常量池中该对象的引用。否则,在常量池中加入该对象,然后 返回引用。

有一位Twitter工程师在QCon全球软件开发大会上分享了一个他们对 String对象优化的案例,他们利用String.intern()方法将以前需要20G内存存储优化到只需要几百兆内存。这足以体现String.intern()的威力,我们一起来看一个例子,简单的了解一下String.intern()的用法。

    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("pingtouge");
        String str1 = new String("pingtouge");
        System.out.println("未使用intern()方法:"+(str==str1));
        System.out.println("未使用intern()方法,str:"+str);
        System.out.println("未使用intern()方法,str1:"+str1);

        String str2= new String("pingtouge").intern();
        String str3 = new String("pingtouge").intern();
        System.out.println("使用intern()方法:"+(str2==str3));
        System.out.println("使用intern()方法,str2:"+str2);
        System.out.println("使用intern()方法,str3:"+str3);

    }
String.intern()测试结果.jpg

从结果中可以看出,未使用String.intern()方法时,构造相同值的字符串对象返回不同的对象引用地址,使用String.intern()方法后,构造相同值的字符串对象时,返回相同的对象引用地址。这能帮我们节约不少空间

String.intern()**方法虽然好,但是我们要结合场景使用,不能乱用,因为常量池的实现是类似于一个**HashTable**的实现方式,**HashTable 存储的数据越大,遍历的时间复杂度就会增加。如果数据过大,会增加整个字符串常量池的负担。

灵活的字符串的分割

字符串的分割是字符串操作的常用操作之一,对于字符串的分割,大部分人使用的都是 Split() 方法,Split() 方法大多数情况下使用的是正则表达式,这种分割方式本身没有什么问题,但是由于正则表达式的性能是非常不稳定的,使用不恰当会引起回溯问题,很可能导致 CPU 居高不下。在以下两种情况下 Split() 方法不会使用正则表达式:

  • 传入的参数长度为1,且不包含“.$|()[{^?*+\”regex元字符的情况下,不会使用正则表达式
  • 传入的参数长度为2,第一个字符是反斜杠,并且第二个字符不是ASCII数字或ASCII字母的情况下,不会使用正则表达式

所以我们在字符串分割时,应该慎重使用 Split() 方法,首先考虑使用 String.indexOf() 方法进行字符串分割,如果 String.indexOf() 无法满足分割要求,再使用 Split() 方法,使用 Split() 方法分割字符串时,需要注意回溯问题。

参考资料

  • Java性能调优实战 刘超

文章不足之处,望大家多多指点,共同学习,共同进步

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