Java中的String類真的不可變嗎?java面試常見問題

2023-03-21 15:01:15
 

其實在Java中,String類被final修飾,主要是為了保證字串的不可變性,進而保證了它的安全性。那麼final到底是怎麼保證字串安全性呢?接下來就讓我們一起來看看吧。

一. final的作用

1.  final關鍵詞修飾的類不可以被其他類繼承,但是該類本身可以繼承其他類,通俗說就是這個類可以有父類別,但不能有子類

final class MyTestClass1 {
    // ...
}

2.  final關鍵詞修飾的方法不可以被覆蓋重寫,但可以被繼承使用

class MyTestClass2 {
    final void myMethod() {
        // ...
    }
}
 

3.  final關鍵詞修飾的基本資料型別稱為常數,只能被賦值一次。  

class MyTestClass3 {
    final int number = 100;
}
 

4.  final關鍵詞修飾的參照資料型別變數,其值為地址值,地址值不能改變,但地址對應的資料物件可以被改變其實這一點就我們今天要說的內容有關了,在後面會結合案例跟大家重點解釋,大家一定要打起精神仔細學習)。

 

5.  final關鍵詞修飾的成員變數,需要在建立物件前就賦值,否則會報錯(即需要在定義時直接賦值)。

 

綜上所述,我們可以知道,final在Java中是一個非常有用的關鍵字,主要可以提高我們程式碼的穩定性和可讀性。當然我們今天要講解的重點是被final修飾的String類,所以接下來我們還是把目光轉回到String身上來,看看String都有哪些特性吧!

 

二. 被final修飾的String類

為了讓大家更好理解String的不可變性,首先我要給各位簡要地講一下String的原始碼設計。從下面的這段原始碼中我們可以搞清楚很多底層的設計思路,接下來就請大家跟著我一起來看看String的核心原始碼吧。

/**
 * ......其他略......
 *
 * Strings are constant; their values cannot be changed after they
 * are created. String buffers support mutable strings.
 * Because String objects are immutable they can be shared. For example:
 * 
 * ......其他略......
 *
 */
public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    
    ......
 

上面的原始碼及其註釋給大家一個簡單的解釋:

● final:請參考第1小節對final特點的介紹;

● Serializable:用於序列化;

● Comparable<String>:預設的比較器;

● CharSequence: 提供對字元序列進行統一、唯讀的操作。

從這段原始碼及其註釋中,我們可以得到下面結論:

● String類用final關鍵字修飾,說明String不可被繼承;

● String字串是常數,字串的值一旦被建立,就不能被改變;

● String字串緩衝區支援可變字串;

● String物件是不可變的,它們是可以被共用的。

 

三. String的不可變性

在學習了上面的這些核心原始碼之後,接下來,我們可以通過一個案例來實踐驗證一番,看看String字串的內容到底能不能改變這裡有個程式碼案例圖所示:

 

在上述的案例結果中,大家可以看出,s的內容竟然發生了改變?!但我們不是一直說String是不可變的嗎?這是咋回事?大家先別急,我們繼續往下看。

要想明白這個問題,我們首先得知道一個知識點:參照和值的區別

在上面的程式碼中我們先是建立了一個 "yiyige" 為內容的字串參照s,如下圖:

 

 s其實先是指向了value物件,而value物件指向儲存 "y,i,y,i,g,e" 字元的字元陣列。但因為value被final修飾,所以value的值不可被更改因此,上面程式碼中改變的其實是s的參照指向而不是改變了String物件的值

換句話說,上面範例中s的值,其實只是value的參照地址,並不是String內容本身當我們執行 s = "yyg" 語句時Java會建立一個新的字面量物件 "yyg"而原來的 "yiyige" 字面量物件其實依然存在於記憶體的intern快取池中。

在這裡,String物件的改變實際上是通過記憶體地址的「斷開-連線」變化來完成的。在這個過程中原字串中的內容並沒有發生任何的改變。String s = "yiyige" 和 s = "yyg"這兩行程式碼,實質上是開闢了2個記憶體空間,s只是由原來指向 "yiyige" 變為指向 "yyg" 而已,而其原來的字串內容,是沒有發生改變的,如下圖所示。

因此,我們在以後的開發中,如果要經常修改字串的內容,請儘量少用String因為如果字串的指向經常的「斷開-連線」,會大大降低效能,建議大家使用StringBuilder 或 StringBuffer 進行替換

我們繼續把上面的程式碼深入地分析一下。在Java中,因為陣列也是物件, 所以value中儲存的也只是一個參照,它指向一個真正的陣列物件。在執行了String s = 「yiyige」; 這句程式碼之後,真正的記憶體佈局應該是下圖這樣的

 

因為value是String封裝的字元陣列value中所有字元都屬於String這個物件。而由於value是private的,沒有提供setValue等公共方法來修改這個value值所以我們在String類的外部是無法修改value值的也就是說字串一旦初始化就不能被修改

此外,value變數是final修飾的,也就是說在String類內部,一旦這個值初始化了,value這個變數所參照的地址就不會改變了,即一直參照同一個物件正是基於這一層,我們才說String物件是不可變的物件

所以String的不可變,其實是value在棧中的參照地址不可變,而不是說常數池中value字元陣列裡的資料元素不可變也就是說,value所參照的陣列物件裡的內容,其實是可以發生改變的。

那麼我們又如何改變它呢?這就要通過反射來消除String類物件的不可變性

 

四. String真的不可變嗎?

在上述內容中我們重點給大家解釋了String字串的可變性。現在大家應該已經知道了,String字串的內容其實是可變的,不可改變的是String字串物件地址。那麼我們到底該怎麼讓String字串的內容發生改變呢?在上述我們給大家提到了反射,接下來我們就來看看如何通過反射改變String字串的內容吧。程式碼案例如下所示:

try {
    String str = "yyg";
    System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));

    Class stringClass = str.getClass();
    //獲取String類中的value屬性
    Field field = stringClass.getDeclaredField("value");
    //設定私有成員的可存取性,進行暴力反射
    field.setAccessible(true);
    //獲取value陣列中的內容
    char[] value = (char[]) field.get(str);
    System.out.println("value=" + Arrays.toString(value));

    value[1] = 'z';
    System.out.println("str=" + str + ", 唯一性hash值=" + System.identityHashCode(str));
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
    e.printStackTrace();
}
 

執行結果如下圖所示:

  

從上面的結果中我們可以看到,String字串的字元陣列通過反射進行修改後,字串的「內容」真的發生了變化!

並且我們又利用底層的java.lang.System#identityHashCode()方法(不管是否重寫了hashCode方法)來獲取到了該字串物件的唯一雜湊值,該方法獲取的hash值與hashCode()方法是一樣的。

從結果中,我們可以看到兩個字串的唯一hash值是一樣的,這就證明字串參照地址沒有發生改變

所以這就說明,我們並不是像之前那樣建立了一個新的String字串,而是真的改變了原有String的內容

這個程式碼案例進一步證明了我們上面的結論:String字串的不可變指的其實是value物件在棧中的參照地址不可變,而不是說常數池中value裡的資料元素不可變!簡單地說,就是String字串的內容其實是可以改變的不能改表的是它的物件地址而已。

 

 所以這也就是我們上述所說的final的作用之一final關鍵詞修飾的參照資料型別的變數,其值為地址值,地址值不能改變,但是地址內的資料物件可以被改變
 

五. 總結

至此,我們就把今天的面試題分析完了,現在你明白了嗎?最後我再來給大家總結一下今天的重點內容吧:

1.  為什麼要用final修飾java中的String類呢?

核心:因為它確保了字串的安全性和可靠性。

2.  java中的String真的不可變嗎?

核心:String字串的內容其實是可變的,但要通過特殊手段進行實現,不可改變的是String字串物件的地址。

3.  如何消除String類物件的不可變性?

核心:利用反射來消除String類物件的不可變性。

4.  如果想要保證String不可變要注意哪些?

● 首先將 String 類宣告為 final型別。這意味著String類是不可被繼承的,防止程式設計師通過繼承重寫String類的某些方法使得String類出現「可變的」的情況

● 然後,重要的字元陣列value屬性,要被private 和 final修飾它是String的底層陣列,用於存貯字串內容。又因為陣列是參照型別,所以只能限制參照不被改變,也就是說陣列元素的值是可以改變的,在上面的案例中已經證明過了

● 接著,所有修改的方法都返回新的字串物件,保證修改時不會改變原始物件的參照;

● 最後,不同的字串物件都可以指向快取池中的同一個字串字面量。

當然Java中的String類使用final修飾」這個概念非常重要,因為它確保了字串的安全性和可靠性。但是我們也要清楚不可改變的是它的地址,而不是它的內容,它的內容是可以利用反射來改變的!只不過在一般的描述中,大家都會說String內容不可改變,畢竟很多時候是不允許利用反射這種特殊的功能去進行這樣的操作的。