【我与Java的成长记】之String类详解

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前言

String 类是 Java 中用于表示字符串的核心类之一。它提供了丰富的方法来操作字符串，包括连接、拆分、替换、查找、截取等，使得字符串处理变得简单和高效。

本节重点：

• 理解String为什么具有不可变性
• StringBuffer、StringBuilder和String的区别
• 为什么StringBuilder比StringBuffer总是快了一毫秒
• 模拟简单String类方法的实现

一、字符串构造

常用的字符串构造有以下三种：

public static void main(String[] args) {
        //new一个String对象
        String s1 = new String("hello");
        
        //使用常量串进行构造
        String s2 = "hello";
        
        //使用字符数组进行构造
        char[] arr = {'h','e','l','l','o'};
        String s3 = new String(arr);
    }

在这里特别注意的是：

1. s1,s2,s3存储的是一个地址，由地址指向所引用的对象，可是当我们打印s1,s2,s3的时候，却发现输出的结果是“hello”
   
   原因是String调用了toString的构造方法，我们打开String的源码看看
   
   
   
   最后是print输出“hello”。

2. String类是引用类型，内部并不存储字符串本身，在String类的实现源码中，String类实例变量如下：
   
   我们可以看到，String类中有两个成员，一个是数组value[]，一个是整型hash（默认为0），当我们调试的时候，我们可以看到是value[]存储的“hello”
   
   如下图所示，我们可以这样理解：
   

3. 字符串常量后面没有以\0标记结尾，我们可以调用length看下字符串的长度。
   
   

二、String类的特性

String 对象具有不可变性的，即一旦创建就不能被修改。这种不可变性使得字符串在多线程环境下更安全，也可以被用作常量，有助于提高代码的可读性和可维护性。
我们先来看以下代码：

public static void main(String[] args) {
        String s = "hello";
        s = s.concat(" java");
        System.out.println(s);
    }

输出结果：

这里很多人可能就有疑问了，不是说String对象具有不可变性吗，为什么这里还可以被改变呢？
虽然字符串的内容看起来变了，从“hello”变成了“hello java”，但实际上，原来的字符串还是没有改变，而是得到了一个新的字符串了，它的内容是“hello java”。

具体如图所示：

为什么字符串具有不可变性呢？
一方面，String类中的字符实际保存在内部维护的value字符数组中，另一方面，String类被final修饰，表明该类不能被继承，而且value也被final修饰，表明value自身的值不能改变，既不能引用其他字符数组，但是其引用空间中的内容可以修改。

特别注意的是：字符串不可变是因为其内部保存字符的数组被final修饰了，因此不能改变，这句话是错误的，不是因为String类自身，或者其内部value被final修饰而不能被修改。

而是因为value[]被private修饰，我们无法拿到value，自然不能通过value去修改值。

为什么String要设计成不可变的？

1. 方便实现字符串对象池，如果String可变，那么对象池就需要考虑写深拷贝的问题了
2. 不可变对象是线程安全的
3. 不可变对象更方便缓存hash code，作为key时可以更高效的保存到HashMap中

三、StringBuilder和StringBuffer

注意：尽量避免直接对String类型对象进行修改，因为String类是不能修改的，所有的修改都会创建新对象，效率非常低。
所以为了方便字符串的修改，java中又提供了StringBuilder和StringBuffer类。

StringBuffer和StringBuilder虽然也封装了一个字符数组，但与String不同，其定义如下：

char[] value;

与String不同的是，它并不是被final所修饰，所以是可以修改的。

我们可以做个简单的测试：

public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        String s = "";
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
            s += i;
     }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("String:"+(end - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuffer sbf = new StringBuffer("");
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
                sbf.append(i);
     }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringBuffer:"+(end - start));

        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder sbd = new StringBuilder();
        for(int i = 0; i < 10000; ++i){
            sbd.append(i);
    }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringBuilder:"+(end - start));
    }

从结果可以看出，在对String类进行修改时，效率是非常慢的，因此：尽量避免对String的直接修改，如果要修改尽量使用StringBuffer或者StringBuilder。

注意：String和StringBuilder类不能直接转换。如果要想互相转换，可以采用如下原则：

• String变为StringBuilder：利用StringBuilder的构造方法或者append()方法。
• StringBuilder变为String：利用toString()方法。

总结

为什么StringBuilder和StringBuffer比String快那么多呢？

简单来说String 是不可变的，每次对 String 进行操作（如连接、拼接、替换等），都会生成一个新的 String 对象，原始的 String 对象不变。这样会频繁地创建新的对象，产生大量的临时对象，导致内存开销和垃圾回收压力增大。
而 StringBuffer 和 StringBuilder 是可变的，它们提供了修改字符串内容的方法，而不是创建新的对象。这样可以减少对象的创建和销毁，提高了性能。
StringBuffer 和 StringBuilder 内部都是使用可变长度的字符数组（char[]）来存储字符串内容。它们的方法都是基于字符数组的操作，如扩容、复制、移动等。这种直接操作字符数组的方式可以提高性能，避免了额外的对象创建和拷贝操作。

为什么StringBuilder比StringBuffer总是快了一毫秒呢？

原因是StringBuilder 是非线程安全的，而StringBuffer 是线程安全的，StringBuffer 中的方法是同步的，即它们被设计为可以安全地在多线程环境中使用。这是通过在每个方法上使用 synchronized 关键字来实现的，以确保同一时刻只有一个线程可以访问 StringBuffer 的方法。

当方法被 synchronized 修饰时，就意味着该方法在同一时间只能被一个线程执行，其他线程需要等待。

三、StringBuilder一些常见的方法

由于StringBuilder和StringBuffer两大类大部分功能是相同的，这里简单介绍StringBuilder一些常用的方法，其他方法可自行浏览：StringBuilder在线文档