2.Java SDK源码分析系列笔记-String系列

盒礁泅 · 2025-9-24 15:08:17

1. String
- 1.1. 是什么
- 1.2. 使用
- 1.3. 源码分析
  - 1.3.1. 类的定义
  - 1.3.2. 构造方法
    - 1.3.2.1. 解释new String("test1") != new String("test1")
  - 1.3.3. 常量池
    - 1.3.3.1. 解释"test2"=="test2"
  - 1.3.4. equals方法
  - 1.3.5. toCharArray方法
  - 1.3.6. toString
  - 1.3.7. valueOf
    - 1.3.7.1. 解释String.valueOf("test3") == String.valueOf("test3")
  - 1.3.8. intern方法
    - 1.3.8.1. 解释new String("test4").intern() == "test4"
  - 1.3.9. subString
- 1.4. 常见问题
  - 1.4.1. toString和valueOf的区别
  - 1.4.2. String的不可变性
  - 1.4.3. 线程安全
  - 1.4.4. String对+的重载
  - 1.4.5. replaceFirst、replaceAll、replace区别
  - 1.4.6. String s = new String("abc")创建了几个字符串对象
2. StringBuilder
- 2.1. 是什么
- 2.2. 如何使用
- 2.3. 原理分析
  - 2.3.1. 构造函数
  - 2.3.2. append方法
  - 2.3.3. toString
  - 2.3.4. subString
3. StringBuffer
- 3.1. 是什么
- 3.2. 如何使用
- 3.3. 原理分析
  - 3.3.1. 构造函数
  - 3.3.2. append方法
  - 3.3.3. toString
  - 3.3.4. subString
4. StringBuilder vs StringBuffer vs String
5. 参考链接

1. String

1.1. 是什么

不可变、线程安全的字符串
1.2. 使用

public class StringTest
{
public static void main(String[] args)
{
String val = new String("test1");
String val1 = new String("test1");
System.out.println(val == val1);//false。上面的代码会在堆中两块不同的地方创建字符串
String val2 = "test2";
String val3 = "test2";
System.out.println(val2 == val3);//true。上面的代码在编译期间已经确定，那么会把"test2"保存在常量池（不是堆中）
String val4 = "te" + "st2";
System.out.println(val2 == val4);//true。虽然val4是通过+拼接的，但是这个也是可以在编译期确定的，所以使用的仍是常量池中的字符串
String val5 = String.valueOf("test3");
String val6 = String.valueOf("test3");
System.out.println(val5 == val6);//true。"test3"在编译期间已经确定，放入常量池中。String.valueOf返回的是常量池中的字符串
String aa = new String("1111");
String bb = new String("1111");
String val9 = String.valueOf(aa);
String val10 = String.valueOf(bb);
System.out.println(val9 == val10);//false。两个"1111"分别在堆中创建，String.valueOf返回的是堆中不同的对象
String val7 = new String("test4");
String val8 = "test4";
String val7Intern = val7.intern();
System.out.println(val8 == val7);//false。val7在堆中，val8在常量池中，自然不相等
System.out.println(val8 == val7Intern);//true。intern方法的作用是在运行时往常量池中增加字符串，如果常量池池中已有，那么把常量池中的对象返回
System.out.println(val8 == val7);//false。再试验一次说明intern方法不是把堆中的地址塞到常量池中
}
}

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1.3. 源码分析

1.3.1. 类的定义

//final表示不能被继承
public final class String
//可比较，可序列化
implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
{
/** The value is used for character storage. */
//底层是通过char数组实现的，final表示引用不能修改，但并不表示char数组里的值不能修改
//那为什么String还是不可变的呢？因为String并没有提供修改value数组值的方法，所以自然就不可变
private final char value[];
/** Cache the hash code for the string */
private int hash; // Default to 0
}

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String是不可变的

类使用final修饰
内部属性char value[]使用final修饰，说明引用不能改变
且内部没有对外提供修改内部属性char value[]的方法

1.3.2. 构造方法

//无参构造方法
public String() {
//会创建一个空串
this.value = "".value;
}
//使用String构造
public String(String original) {
//直接把引用指向同一个字符数组？因为String内部的char数组是不可以改变的，所以可以共享
this.value = original.value;
this.hash = original.hash;
}
//使用char数组构造
public String(char value[]) {
//外部传递过来的char数组可能被改变，所有需要复制数组
this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
//使用StringBuffer构造
public String(StringBuffer buffer) {
//线程安全的StringBUffer需要加锁并且复制数组
synchronized(buffer) {
this.value = Arrays.copyOf(buffer.getValue(), buffer.length());
}
}
//使用StringBuilde构造
public String(StringBuilder builder) {
//复制数组
this.value = Arrays.copyOf(builder.getValue(), builder.length());
}
//使用char数组带下标的构造
public String(char value[], int offset, int count) {
if (offset < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
}
if (count <= 0) {
if (count < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
}
if (offset <= value.length) {
this.value = "".value;
return;
}
}
// Note: offset or count might be near 1>>>1.
if (offset > value.length count) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
}
//复制char数组
this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

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1.3.2.1. 解释new String("test1") != new String("test1")

String val = new String("test1");
String val1 = new String("test1");
System.out.println(val == val1);//false。上面的代码会在堆中两块不同的地方创建字符串

复制代码

我们查看字节码，结果如下：

调用的字节码时NEW，会在堆中创建字符串，所以两者不同
1.3.3. 常量池

英文名叫constant pool，指的是在编译期被确定，并被保存在已编译的.class文件中的一些数据。它包括了关于类、方法、接口等中的常量，也包括字符串常量
1.3.3.1. 解释"test2"=="test2"

String val2 = "test2";
String val3 = "test2";
System.out.println(val2 == val3);//true。上面的代码在编译期间已经确定，那么会把"test2"保存在常量池（不是堆中）
String val4 = "te" + "st2";
System.out.println(val2 == val4);//true。虽然val4是通过+拼接的，但是这个也是可以在编译期确定的，所以使用的仍是常量池中的字符串

复制代码

我们查看字节码，结果如下：

可以看出上面三行都调用了LDC字节码，他表示在常量池中加载字符串，而"test2"这个字符串在编译器会存入.class文件中，因此三者相等
1.3.4. equals方法

public boolean equals(Object anObject) {
//首先比较引用是否相等
if (this == anObject) {
return true;
}
//如果是个字符串
if (anObject instanceof String) {
String anotherString = (String)anObject;
int n = value.length;
//字符数组长度相等
if (n == anotherString.value.length) {
char v1[] = value;
char v2[] = anotherString.value;
int i = 0;
//从后往前比较value是否相等
while (n != 0) {
if (v1[i] != v2[i])
return false;
i++;
}
return true;
}
}
return false;
}

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1.3.5. toCharArray方法

public char[] toCharArray() {
// Cannot use Arrays.copyOf because of class initialization order issues
//创建一个新的char数组
char result[] = new char[value.length];
//调用arraycopy函数把value的值复制到新的char数组返回(防止外界改变char数组的值)
System.arraycopy(value, 0, result, 0, value.length);
return result;
}

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1.3.6. toString

public String toString() {
//直接返回自己
return this;
}

复制代码

1.3.7. valueOf

public static String valueOf(Object obj) {
//为null的话返回“null”，否则调用obj的toString
return (obj == null) ? "null" : obj.toString();
}

复制代码

1.3.7.1. 解释String.valueOf("test3") == String.valueOf("test3")

String val5 = String.valueOf("test3");
String val6 = String.valueOf("test3");
System.out.println(val5 == val6);//true。"test3"在编译期间已经确定，放入常量池中。String.valueOf返回的是常量池中的字符串

复制代码

对于String val5 = String.valueOf("test3")这种代码，编译器首先会把他当作String val5 = "test3"处理，把"test3"放入常量池中，然后调用String.valueOf方法返回常量池中的"test3"字符串，所以两者相等。

再看一个例子

String aa = new String("1111");
String bb = new String("1111");
String val9 = String.valueOf(aa);
String val10 = String.valueOf(bb);
System.out.println(val9 == val10);//false。两个"1111"分别在堆中创建，String.valueOf返回的是堆中不同的对象

复制代码

String aa = new String("1111")这种先在堆中创建字符串"1111"，然后String val9 = String.valueOf(aa)返回的是堆中的字符串，所以两者不等
1.3.8. intern方法

//运行时往常量池增加字符串
//调用intern方法的时候，如果常量池中已经存在一个字符串与这个字符串相等，那么返回常量池的中字符串。
//没有的话会在常量池中创建这个字符串，然后才返回。
public native String intern();

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1.3.8.1. 解释new String("test4").intern() == "test4"

String val7 = new String("test4");
String val8 = "test4";
String val7Intern = val7.intern();
System.out.println(val8 == val7);//false。val7在堆中，val8在常量池中，自然不相等
System.out.println(val8 == val7Intern);//true。intern方法的作用是在运行时往常量池中增加字符串，如果常量池池中已有，那么把常量池中的对象返回
System.out.println(val8 == val7);//false。再试验一次说明intern方法不是把堆中的地址塞到常量池中

复制代码

String val7 = new String("test4")是堆中的字符串"test4"，String val8 = "test4"是常量池中的"test4"，String val7Intern = val7.intern()intern首先检查常量池中是否有"test4"，发现有直接返回
1.3.9. subString

String substring(int beginIndex, int endIndex) {
//下标越界判断
if (beginIndex < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
}
if (endIndex > value.length) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
}
int subLen = endIndex beginIndex;
if (subLen < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
}
//返回自己或者调用使用char数组带下标的构造函数
return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
: new String(value, beginIndex, subLen);
}

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1.4. 常见问题

1.4.1. toString和valueOf的区别

String aa = null;
//System.out.println(aa.toString());//抛出异常
System.out.println(String.valueOf(aa));//null

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前者没有做为空判断，后者做了。
1.4.2. String的不可变性

String这个类是由final修饰的，意味着不能被继承
String内部通过char数组实现，而这个数组是用final修饰的。意味着一旦赋值就不能改变引用，而且String也没有提供修改字符数组内容的方法
用下面的例子解释：

String a = "aaa";
a = "bbb";//这里的可变String类型的引用改变了，但是原有的值没有变化
//这种看似修改的方法实际上返回的是一个新的String对象
String c= a.subString(1,2);

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1.4.3. 线程安全

因为不可变所以线程安全

public class TestString
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
String string = "0";
TestThread testThread = new TestThread(string);//因为不可变，所以传递进去无论做了什么操作都不影响
testThread.start();
testThread.join();
System.out.println(string);//0
}
}
class TestThread extends Thread
{
private String string;
public TestThread(String string)
{
this.string = string;
}
@Override
public void run()
{
this.string += "test";
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + this.string);
}
}

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1.4.4. String对+的重载

实际上使用的StringBuilder，并且调用append方法，最后调用toString方法

普通+
循环+

1.4.5. replaceFirst、replaceAll、replace区别

String replaceFirst(String regex, String replacement)
基于正则的替换，替换第一个
String replaceAll(String regex, String replacement)
基于正则的替换，替换全部
String replace(Char Sequencetarget, Char Sequencereplacement)
普通的比较替换，替换全部

1.4.6. String s = new String("abc")创建了几个字符串对象

当加载类时，"abc"被创建并驻留在了字符创常量池中（如果先前加载中没有创建驻留过）。
当执行此句时，因为"abc"对应的String实例已经存在于字符串常量池中，所以JVM会将此实例复制到会在堆（heap）中并返回引用地址

2. StringBuilder

2.1. 是什么

线程安全的、可变字符串
其实就是在StringBuilder的基础上加了synchronized关键字
2.2. 如何使用

public class TestStringBuilder
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++)
{
stringBuffer.append("aaaa");
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++)
{
stringBuffer.append("aaaa");
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(stringBuffer.toString());
System.out.println(stringBuffer.length() == 5000 * 2 * 4);//true
}
}

复制代码

2.3. 原理分析

2.3.1. 构造函数

public final class StringBuffer//一样是final的
extends AbstractStringBuilder
implements java.io.Serializable, CharSequence
{
public StringBuffer() {
//跟StringBuilder一样调用AbstractStringBuilder的构造方法
super(16);//默认容量16个
}
}
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
char[] value;
int count;
AbstractStringBuilder(int capacity) {
value = new char[capacity];
}
}

复制代码

2.3.2. append方法

//加了synchronized修饰
public synchronized StringBuffer append(String str) {
toStringCache = null;
super.append(str);
return this;
}

复制代码

2.3.3. toString

//加了synchronized修饰
public synchronized String toString() {
if (toStringCache == null) {
toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
}
return new String(toStringCache, true);
}

复制代码

2.3.4. subString

public synchronized String substring(int start, int end) {
return super.substring(start, end);
}

复制代码

3. StringBuffer

3.1. 是什么

线程安全的、可变字符串
其实就是在StringBuilder的基础上加了synchronized关键字
3.2. 如何使用

public class TestStringBuilder
{
public static void main(String[] args) throws InterruptedException
{
StringBuffer stringBuffer = new StringBuffer();
Thread thread1 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++)
{
stringBuffer.append("aaaa");
}
});
Thread thread2 = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 5000; i++)
{
stringBuffer.append("aaaa");
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread1.join();
thread2.join();
System.out.println(stringBuffer.toString());
System.out.println(stringBuffer.length() == 5000 * 2 * 4);//true
}
}

复制代码

3.3. 原理分析

3.3.1. 构造函数

public final class StringBuffer//一样是final的
extends AbstractStringBuilder
implements java.io.Serializable, CharSequence
{
public StringBuffer() {
//跟StringBuilder一样调用AbstractStringBuilder的构造方法
super(16);//默认容量16个
}
}
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
char[] value;
int count;
AbstractStringBuilder(int capacity) {
value = new char[capacity];
}
}

复制代码

3.3.2. append方法

//加了synchronized修饰
public synchronized StringBuffer append(String str) {
toStringCache = null;
super.append(str);
return this;
}

复制代码

3.3.3. toString

//加了synchronized修饰
public synchronized String toString() {
if (toStringCache == null) {
toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
}
return new String(toStringCache, true);
}

复制代码

3.3.4. subString

public synchronized String substring(int start, int end) {
return super.substring(start, end);
}

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4. StringBuilder vs StringBuffer vs String

StringStringBufferStringBuilder是否线程安全√√×是否可变×√√5. 参考链接

Java 源码分析 — String 的设计 - 掘金
String源码分析 - 掘金
Java中String对"+"的"重载" - 掘金
java 中为什么说，String是线程安全的？为什么说StringBuilder是线程不安全的？分别举例证明。 - OSCHINA
为什么String被设计为不可变?是否真的不可变？ - Jessica程序猿 - 博客园
Java提高篇——理解String 及 String.intern() 在实际中的应用 - 萌小Q - 博客园

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