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深入解读String类源码及其应用技巧 |
字符串源码解读 |
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本文将对Java String类的源码进行深入分析，帮助你理解字符串在Java中的实现原理、操作方式和性能优化策略。通过详细解读String源码，我们将揭示字符串类的内部机制，掌握如何高效地进行字符串操作，以及在实际编程中如何应用这些知识来提高代码质量和性能。 |
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我正坐在沙发上津津有味地读刘欣大佬的《码农翻身》——Java 帝国这一章，门铃响了。起身打开门一看，是三妹，她从学校回来了。
“三妹，你回来的真及时，今天我们打算讲 Java 中的字符串呢。”等三妹换鞋的时候我说。
“哦，可以呀，哥。听说字符串的细节特别多，什么字符串常量池了、字符串不可变性了、字符串拼接了、字符串长度限制了等等，你最好慢慢讲，否则我可能一时半会消化不了。”三妹的态度显得很诚恳。
“嗯，我已经想好了，今天就只带你大概认识一下字符串，主要读一读它的源码，其他的细节咱们后面再慢慢讲，保证你能及时消化。”
“好，那就开始吧。”三妹已经准备好坐在了电脑桌的边上。
我应了一声后走到电脑桌前坐下来，顺手打开 Intellij IDEA，并找到了 String 的源码（Java 8 版本）。
public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
}“第一，String 类是 final 的，意味着它不能被子类继承。这些知识我们讲面向对象编程的时候都会讲到，三妹你不用担心。”
“第二，String 类实现了 Serializable 接口，意味着它可以序列化（后面同样会讲，戳链接可跳转）。”
“第三，String 类实现了 Comparable 接口，意味着最好不要用‘==’来比较两个字符串是否相等，而应该用 compareTo() 方法去比较。”
因为 == 是用来比较两个对象的地址，这个在讲字符串比较的时候会详细讲。如果只是说比较字符串内容的话，可以使用 String 类的 equals 方法，源码和注释如下所示：
public boolean equals(Object anObject) {
// 检查是否是同一个对象的引用，如果是，直接返回 true
if (this == anObject) {
return true;
}
// 检查 anObject 是否是 String 类的实例
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String) anObject; // 将 anObject 强制转换为 String 类型
int n = value.length; // 获取当前字符串的长度
// 检查两个字符串长度是否相等
if (n == anotherString.value.length) {
char v1[] = value; // 当前字符串的字符数组
char v2[] = anotherString.value; // 另一个字符串的字符数组
int i = 0; // 用于遍历字符数组的索引
// 遍历比较两个字符串的每个字符
while (n-- != 0) {
// 如果在任何位置字符不同，则返回 false
if (v1[i] != v2[i])
return false;
i++;
}
// 所有字符都相同，返回 true
return true;
}
}
// 如果 anObject 不是 String 类型或长度不等，则返回 false
return false;
}“第四，String 和 StringBuffer、StringBuilder 一样，都实现了 CharSequence 接口，所以它们仨属于近亲。由于 String 是不可变的，所以遇到字符串拼接的时候就可以考虑一下 String 的另外两个好兄弟，StringBuffer 和 StringBuilder，它俩是可变的。”
private final char value[];“第五，Java 9 以前，String 是用 char 型数组实现的，之后改成了 byte 型数组实现，并增加了 coder 来表示编码。这样做的好处是在 Latin1 字符为主的程序里，可以把 String 占用的内存减少一半。当然，天下没有免费的午餐，这个改进在节省内存的同时引入了编码检测的开销。”
Latin1（Latin-1）是一种单字节字符集（即每个字符只使用一个字节的编码方式），也称为 ISO-8859-1（国际标准化组织 8859-1），它包含了西欧语言中使用的所有字符，包括英语、法语、德语、西班牙语、葡萄牙语、意大利语等等。在 Latin1 编码中，每个字符使用一个 8 位（即一个字节）的编码，可以表示 256 种不同的字符，其中包括 ASCII 字符集中的所有字符，即 0x00 到 0x7F，以及其他西欧语言中的特殊字符，例如 é、ü、ñ 等等。由于 Latin1 只使用一个字节表示一个字符，因此在存储和传输文本时具有较小的存储空间和较快的速度
下面是 JDK 11 版本中的 String 类源码，注意和 JDK 8 的不同。
public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
@Stable
private final byte[] value;
private final byte coder;
private int hash;
}从 char[] 到 byte[]，最主要的目的是节省字符串占用的内存空间。内存占用减少带来的另外一个好处，就是 GC 次数也会减少。
GC，也就是垃圾回收，JVM 的时候会讲到。可以戳链接了解。
这里给你讲一个小知识。
我们使用 jmap -histo:live pid | head -n 10 命令就可以查看到堆内对象示例的统计信息、ClassLoader 的信息以及 finalizer 队列等。
Java 的对象基本上都在堆上。后面也会讲。这里的 pid 就是进程号，可以通过
ps -ef | grep java命令查看，下图中红色框出来的第二项就是 pid。
就以正在运行着的编程喵项目来说吧（它是以 JDK 8 运行的），结果是这样的。
其中 String 对象有 17638 个，占用了 423312 个字节的内存，排在第三位。
由于 Java 8 的 String 内部实现仍然是 char[]，所以我们可以看到内存占用排在第 1 位的就是 char 数组。
char[] 对象有 17673 个，占用了 1621352 个字节的内存，排在第一位。
那也就是说优化 String 节省内存空间是非常有必要的，如果是去优化一个使用频率没有 String 这么高的类，就没什么必要，对吧？
众所周知，char 类型的数据在 JVM 中是占用两个字节的，并且使用的是 UTF-8 编码，其值范围在 '\u0000'（0）和 '\uffff'（65,535）（包含）之间。
也就是说，使用 char[] 来表示 String 就会导致，即使 String 中的字符只用一个字节就能表示，也得占用两个字节。
PS：在计算机中，单字节字符通常指的是一个字节（8 位）可以表示的字符，而双字节字符则指需要两个字节（16 位）才能表示的字符。单字节字符和双字节字符的定义是相对的，不同的编码方式对应的单字节和双字节字符集也不同。常见的单字节字符集有 ASCII（美国信息交换标准代码）、ISO-8859（国际标准化组织标准编号 8859）、GBK（汉字内码扩展规范）、GB2312（中国国家标准，现在已经被 GBK 取代），像拉丁字母、数字、标点符号、控制字符都是单字节字符。双字节字符集包括 Unicode、UTF-8、GB18030（中国国家标准），中文、日文、韩文、拉丁文扩展字符属于双字节字符。
当然了，仅仅将 char[] 优化为 byte[] 是不够的，还要配合 Latin-1 的编码方式，该编码方式是用单个字节来表示字符的，这样就比 UTF-8 编码节省了更多的空间。
换句话说，对于：
String name = "jack";这样的，使用 Latin-1 编码，占用 4 个字节就够了。
但对于：
String name = "小二";这种，木的办法，只能使用 UTF16 来编码。
针对 JDK 9 的 String 源码里，为了区别编码方式，追加了一个 coder 字段来区分。
/**
* The identifier of the encoding used to encode the bytes in
* {@code value}. The supported values in this implementation are
*
* LATIN1
* UTF16
*
* @implNote This field is trusted by the VM, and is a subject to
* constant folding if String instance is constant. Overwriting this
* field after construction will cause problems.
*/
private final byte coder;Java 会根据字符串的内容自动设置为相应的编码，要么 Latin-1 要么 UTF16。
也就是说，从 char[] 到 byte[]，中文是两个字节，纯英文是一个字节，在此之前呢，中文是两个字节，英文也是两个字节。
在 UTF-8 中，0-127 号的字符用 1 个字节来表示，使用和 ASCII 相同的编码。只有 128 号及以上的字符才用 2 个、3 个或者 4 个字节来表示。
- 如果只有一个字节，那么最高的比特位为 0；
- 如果有多个字节，那么第一个字节从最高位开始，连续有几个比特位的值为 1，就使用几个字节编码，剩下的字节均以 10 开头。
具体的表现形式为：
- 0xxxxxxx：一个字节；
- 110xxxxx 10xxxxxx：两个字节编码形式（开始两个 1）；
- 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：三字节编码形式（开始三个 1）；
- 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：四字节编码形式（开始四个 1）。
也就是说，UTF-8 是变长的，那对于 String 这种有随机访问方法的类来说，就很不方便。所谓的随机访问，就是 charAt、subString 这种方法，随便指定一个数字，String 要能给出结果。如果字符串中的每个字符占用的内存是不定长的，那么进行随机访问的时候，就需要从头开始数每个字符的长度，才能找到你想要的字符。
那你可能会问，UTF-16 也是变长的呢？一个字符还可能占用 4 个字节呢？
的确，UTF-16 使用 2 个或者 4 个字节来存储字符。
- 对于 Unicode 编号范围在 0 ~ FFFF 之间的字符，UTF-16 使用两个字节存储。
- 对于 Unicode 编号范围在 10000 ~ 10FFFF 之间的字符，UTF-16 使用四个字节存储，具体来说就是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于 D800
DBFF 之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位）用一个值介于 DC00DFFF 之间的双字节存储。
但是在 Java 中，一个字符（char）就是 2 个字节，占 4 个字节的字符，在 Java 里也是用两个 char 来存储的，而 String 的各种操作，都是以 Java 的字符（char）为单位的，charAt 是取得第几个 char，subString 取的也是第几个到第几个 char 组成的子串，甚至 length 返回的都是 char 的个数。
所以 UTF-16 在 Java 的世界里，就可以视为一个定长的编码。
“第六，每一个字符串都会有一个 hash 值，这个哈希值在很大概率是不会重复的，因此 String 很适合来作为 HashMap（后面会细讲）的键值。”
来看 String 类的 hashCode 方法。
private int hash; // 缓存字符串的哈希码
public int hashCode() {
int h = hash; // 从缓存中获取哈希码
// 如果哈希码未被计算过（即为 0）且字符串不为空，则计算哈希码
if (h == 0 && value.length > 0) {
char val[] = value; // 获取字符串的字符数组
// 遍历字符串的每个字符来计算哈希码
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i]; // 使用 31 作为乘法因子
}
hash = h; // 缓存计算后的哈希码
}
return h; // 返回哈希码
}hashCode 方法首先检查是否已经计算过哈希码，如果已经计算过，则直接返回缓存的哈希码。否则，方法将使用一个循环遍历字符串的所有字符，并使用一个乘法和加法的组合计算哈希码。
这种计算方法被称为“31 倍哈希法”。计算完成后，将得到的哈希值存储在 hash 成员变量中，以便下次调用 hashCode 方法时直接返回该值，而不需要重新计算。这是一种缓存优化，称为“惰性计算”。
31 倍哈希法（31-Hash）是一种简单有效的字符串哈希算法，常用于对字符串进行哈希处理。该算法的基本思想是将字符串中的每个字符乘以一个固定的质数 31 的幂次方，并将它们相加得到哈希值。具体地，假设字符串为 s，长度为 n，则 31 倍哈希值计算公式如下：
H(s) = (s[0] * 31^(n-1)) + (s[1] * 31^(n-2)) + ... + (s[n-1] * 31^0)其中，s[i]表示字符串 s 中第 i 个字符的 ASCII 码值，^表示幂运算。
31 倍哈希法的优点在于简单易实现，计算速度快，同时也比较均匀地分布在哈希表中。
hashCode 方法，我们会在另外一个章节里详细讲，戳前面的链接了解。
我们可以通过以下方法模拟 String 的 hashCode 方法：
public class HashCodeExample {
public static void main(String[] args) {
String text = "沉默王二";
int hashCode = computeHashCode(text);
System.out.println("字符串 \"" + text + "\" 的哈希码是: " + hashCode);
System.out.println("String 的 hashCode " + text.hashCode());
}
public static int computeHashCode(String text) {
int h = 0;
for (int i = 0; i < text.length(); i++) {
h = 31 * h + text.charAt(i);
}
return h;
}
}看一下结果：
字符串 "沉默王二" 的哈希码是: 867758096
String 的 hashCode 867758096
结果是一样的，又学到了吧？
String 类中还有一个方法比较常用 substring，用来截取字符串的，来看源码。
public String substring(int beginIndex) {
// 检查起始索引是否小于 0，如果是，则抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常
if (beginIndex < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
}
// 计算子字符串的长度
int subLen = value.length - beginIndex;
// 检查子字符串长度是否为负数，如果是，则抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常
if (subLen < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
}
// 如果起始索引为 0，则返回原字符串；否则，创建并返回新的字符串
return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}substring 方法首先检查参数的有效性，如果参数无效，则抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常（后面会细讲）。接下来，方法根据参数计算子字符串的长度。如果子字符串长度小于零，也会抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常。
如果 beginIndex 为 0，说明子串与原字符串相同，直接返回原字符串。否则，使用 value 数组（原字符串的字符数组）的一部分 new 一个新的 String 对象并返回。
下面是几个使用 substring 方法的示例：
①、提取字符串中的一段子串：
String str = "Hello, world!";
String subStr = str.substring(7, 12); // 从第7个字符（包括）提取到第12个字符（不包括）
System.out.println(subStr); // 输出 "world"②、提取字符串中的前缀或后缀：
String str = "Hello, world!";
String prefix = str.substring(0, 5); // 提取前5个字符，即 "Hello"
String suffix = str.substring(7); // 提取从第7个字符开始的所有字符，即 "world!"③、处理字符串中的空格和分隔符：
String str = " Hello, world! ";
String trimmed = str.trim(); // 去除字符串开头和结尾的空格
String[] words = trimmed.split("\\s+"); // 将字符串按照空格分隔成单词数组
String firstWord = words[0].substring(0, 1); // 提取第一个单词的首字母
System.out.println(firstWord); // 输出 "H"④、处理字符串中的数字和符号：
String str = "1234-5678-9012-3456";
String[] parts = str.split("-"); // 将字符串按照连字符分隔成四个部分
String last4Digits = parts[3].substring(1); // 提取最后一个部分的后三位数字
System.out.println(last4Digits); // 输出 "456"总之，substring 方法可以根据需求灵活地提取字符串中的子串，为字符串处理提供了便利。
indexOf 方法用于查找一个子字符串在原字符串中第一次出现的位置，并返回该位置的索引。来看该方法的源码：
/*
* 查找字符数组 target 在字符数组 source 中第一次出现的位置。
* sourceOffset 和 sourceCount 参数指定 source 数组中要搜索的范围，
* targetOffset 和 targetCount 参数指定 target 数组中要搜索的范围，
* fromIndex 参数指定开始搜索的位置。
* 如果找到了 target 数组，则返回它在 source 数组中的位置索引（从0开始），
* 否则返回-1。
*/
static int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount,
char[] target, int targetOffset, int targetCount,
int fromIndex) {
// 如果开始搜索的位置已经超出 source 数组的范围，则直接返回-1（如果 target 数组为空，则返回 sourceCount）
if (fromIndex >= sourceCount) {
return (targetCount == 0 ? sourceCount : -1);
}
// 如果开始搜索的位置小于0，则从0开始搜索
if (fromIndex < 0) {
fromIndex = 0;
}
// 如果 target 数组为空，则直接返回开始搜索的位置
if (targetCount == 0) {
return fromIndex;
}
// 查找 target 数组的第一个字符在 source 数组中的位置
char first = target[targetOffset];
int max = sourceOffset + (sourceCount - targetCount);
// 循环查找 target 数组在 source 数组中的位置
for (int i = sourceOffset + fromIndex; i <= max; i++) {
/* Look for first character. */
// 如果 source 数组中当前位置的字符不是 target 数组的第一个字符，则在 source 数组中继续查找 target 数组的第一个字符
if (source[i] != first) {
while (++i <= max && source[i] != first);
}
/* Found first character, now look at the rest of v2 */
// 如果在 source 数组中找到了 target 数组的第一个字符，则继续查找 target 数组的剩余部分是否匹配
if (i <= max) {
int j = i + 1;
int end = j + targetCount - 1;
for (int k = targetOffset + 1; j < end && source[j]
== target[k]; j++, k++);
// 如果 target 数组全部匹配，则返回在 source 数组中的位置索引
if (j == end) {
/* Found whole string. */
return i - sourceOffset;
}
}
}
// 没有找到 target 数组，则返回-1
return -1;
}来看示例。
①、示例 1：查找子字符串的位置
String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf("world"); // 查找 "world" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index); // 输出 7②、示例 2：查找字符串中某个字符的位置
String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf(","); // 查找逗号在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index); // 输出 5③、示例 3：查找子字符串的位置（从指定位置开始查找）
String str = "Hello, world!";
int index = str.indexOf("l", 3); // 从索引为3的位置开始查找 "l" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index); // 输出 3④、示例 4：查找多个子字符串
String str = "Hello, world!";
int index1 = str.indexOf("o"); // 查找 "o" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
int index2 = str.indexOf("o", 5); // 从索引为5的位置开始查找 "o" 子字符串在 str 中第一次出现的位置
System.out.println(index1); // 输出 4
System.out.println(index2); // 输出 8①、比如说 length() 用于返回字符串长度。
②、比如说 isEmpty() 用于判断字符串是否为空。
③、比如说 charAt() 用于返回指定索引处的字符。
④、比如说 valueOf() 用于将其他类型的数据转换为字符串。
String str = String.valueOf(123); // 将整数 123 转换为字符串valueOf 方法的背后其实调用的是包装器类的 toString 方法，比如说整数转为字符串调用的是 Integer 类的 toString 方法。
public static String valueOf(int i) {
return Integer.toString(i);
}而 Integer 类的 toString 方法又调用了 Integer 类的静态方法 toString(int i)：
public static String toString(int i) {
// 最小值返回 "-2147483648"
if (i == Integer.MIN_VALUE)
return "-2147483648";
// 整数的长度，负数的长度减 1
int size = (i < 0) ? stringSize(-i) + 1 : stringSize(i);
// 把整数复制到字符数组中
char[] buf = new char[size];
// 具体的复制过程
getChars(i, size, buf);
// 通过 new 返回字符串
return new String(buf, true);
}至于 getChars 方法，就是把整数复制到字符数组中的具体过程了，这里就不展开了。
⑥、比如说 getBytes() 用于返回字符串的字节数组，可以指定编码方式，比如说：
String text = "沉默王二";
System.out.println(Arrays.toString(text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));⑦、比如说 trim() 用于去除字符串两侧的空白字符，来看源码：
public String trim() {
int len = value.length;
int st = 0;
char[] val = value; /* avoid getfield opcode */
while ((st < len) && (val[st] <= ' ')) {
st++;
}
while ((st < len) && (val[len - 1] <= ' ')) {
len--;
}
return ((st > 0) || (len < value.length)) ? substring(st, len) : this;
}举例：" 沉默王二 ".trim() 会返回"沉默王二"
除此之外，还有 split、equals、join 等这些方法，我们后面会一一来细讲。
学完这一节，其实可以拿 LeetCode 的第三道题「无重复字符的最长子串」来练手，你可以通过暴力的方式，也就是两个 for 循环来解决。
当然了，如果实在解不出来，题解我放到了技术派的「二哥的 LeetCode 刷题笔记」当中，你可以去参考。是对字符串和 for 循环的一次很好的练习。
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