Java中字符串对象真的是不可变的么?

发布 : 2020-04-01 分类 : 技术 浏览 :

没错,如果字符串对象真的不可以被改变,那这篇文章也不会出现在这里!

String不可变的内部细节

Java中所有的字符串对象都是String类的一个实例,当我们通过引用直接指向一个字符串字面值(例如:String s = "chenzhihao")或使用new操作符创建一个字符串对象(eg:String s = new String("chenzhihao")),都会在内存中开辟出一块空间,存储字符串实例。当然,这句话中忽略了好多细节,例如:字符串若出现在常量池中则不再新建对象、new String("chenzhihao")会创建两个字符串对象等,因为这不是本篇讨论的细节,这里也先不去纠结这些问题。

字符串对象为什么是不可变的?

通过一个示例来演示一下String字符串的“不可变性”:

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String s1 = "hello";
s1 = "word";

System.out.println(s1); // print: word

哎??你TM不是说字符串不可变吗,个渣男!

先别急,上面的代码执行时,一空创建了两个字符串对象,分别是helloword,初始化时引用变量s1指向了hello对象的堆内存地址,之后,创建新的字符串对象word,修改了s1变量的指向。实际上改变的是s1变量的内存地址值,而字符串对象hello依然存在于内存当中,只不过已经没有强引用指向他,随着时间的推移,很可能在某一时刻被GC回收掉,结束了自己的一生。

原来如此,既然说字符串是对象,那我可以调用String的方法去修改值吗?

当然不可以!虽然每个字符串对象都是String类型的实例,但是String并没有提供值修改的方法,甚至连获取的方法都没有提供,并且还是用final关键字锁住了自己,使得String类不可以被继承。来看一下String的部分源码:

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public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {

private final char value[];

private int hash; // Default to 0

public String() {
this.value = "".value;
}

public int length() {
return value.length;
}

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;
}

// ignore some functions
}

从String源码中可以看到,他持有一个私有的字符数组value[]和一个私有的int类型的hash值,分别存放字符串内容以及哈希值。其中字符数组被标记为final,即初始化时就需要为其赋值并且该数组的引用不允许被改变。而hash值,在初始化时默认被赋予0值,在首次调用字符串对象的hashCode()方法时,会先判断hash值有没有初始化,如果已经初始化过则直接返回,否则计算并为hash属性赋值,从这里可以看出,hash值一经初始化也不会被改变。

打破字符串对象的不可变性

通过刚才的分析,我们得出一个结论:

字符串对象一经初始化,其内部字节数组的引用是不可变的,并且在首次调用hashCode后,会为其hash属性计算一个哈希值,且该值永远不变。

一些小伙伴已经发现了其中的漏洞,我们先通过一个图来描述String str = "chenzhihao"这段代码执行后的内存结构:

graph LR

    A[JVM栈内存
str变量]; B[堆内存
String对象
value引用
hash] C[堆内存
value数组]; A-->B-->C;

从String对象的内存结构图来看,String对象中的值(基本类型值、引用类型内存地址值)虽然不可变,但引用类型所指向的实际对象是可变的,这里value[]数组是引用类型,只要我们拿到字符串对象中的字符数组的引用,就可以通过引用来操作字符数组,达到改变字符串值的目的。

But!value数组是私有(private)的,并且没有提供对外的getter/setter方法,如何拿到该引用?

获取对象私有属性最好的方法,就是使用反射!反射可以在运行期动态访问对象内部,说干就干!

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String str = "chen_zhi_hao";
System.out.println("修改前:" + str);

// 通过反射获取String类的 “value” 属性
Field field = String.class.getDeclaredField("value");

// 该属性为私有的,先将其访问权限修改为可访问(打破private限制)
field.setAccessible(true);

// 获取values属性值,这里引用的类型为字符数组,所以强转不会报错
char[] value = (char[]) field.get(str);

// 修改字符数组,将字符串中的下划线替换为空格
value[4] = ' ';
value[8] = ' ';

System.out.println("修改后:" + str);

执行上面的代码,观察变量str先后输出的内容:

修改前:chen_zhi_hao
修改后:chen zhi hao

果然,成功的改变了String对象的内容。上面代码自始至终str均指向了chen_zhi_hao对象,该对象的内部字符数组保存了字符串的内容,利用反射获取到该对象的内部字符数组,通过修改数组内容达到修改字符串内容的目的。

有些同学可能在上述代码后面又加了一些验证代码,例如在上面代码的最后添加如下代码:

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String newStr = "chen zhi hao";
System.out.println(str == newStr); // 输出:false

你骗银,字符串内容根本没改,你看,都不相等!

莫慌,莫慌~ 此处利用==进行判断,比较的是两个对象的内存地址值,newStr指向的字符串chen zhi hao是一个新的对象,并且声明后会被放在字符串常量池中,与变量str相比较,他们俩内容均相同,但是不属于同一个对象。但是,像下面这么玩,就会得到新的结果:

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String internStr = str.intern();

System.out.println(str == internStr); // 输出:true

String newStr = "chen zhi hao";
System.out.println(str == newStr); // 输出:true
System.out.println(str == internStr); // 输出:true

这又是为何?

因为在String newStr = "chen zhi hao";创建并声明字符串对象chen zhi hao之前,调用了str.intern()方法。该方法会先判断该字符串是否在字符串常量池中,如果存在,则返回常量池中的字符串对象,否则将该字符串对象放进常量池中并返回自身。

所以此处,strinternStr指向的是同一个对象,那么newStr为什么也与他俩指向的对象一样呢?因为通过双引号""声明的字符串,与intern方法类似,都是先从字符串常量池中搜寻,未找到才创建新的并加入到常量池。

总结

我们日常开发的系统中,超过80%以上的业务是在对字符串操作,字符串本身不是Java八大基本数据类型之一,他是引用类型,虽然他被标记为final,目的之一是为了被泛化,因为Java中规定字符串对象只能通过java.lang.String类进行实例化。并且被标记为final的另一个好处在于使得字符串不可变,这里的不可变指的是对象的成员属性值不可变,但是String对象中内嵌了引用对象。

一个对象中封装了引用类型成员,那么这个对象就不是不可变的。

引用类型,说白了就是在对象的内存空间内存储了另一个对象的堆内存地址,我们无法改变引用所指向的内存地址,但是我们可以通过拿到该内存地址所指向的实际对象,做自定义修改。而让我们可以访问字符串对象私有属性,反射恰恰是最好用的工具。

本文作者 : 陈志昊
原文链接 : https://chenzhihao.cc/2020/04/01/Java中字符串对象真的是不可变的么/
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