介绍

以主流的 JDK 版本 1.8 来说,String 内部实际存储结构为 char 数组,源码如下:

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public final class String
    implements java.io.SerializableComparable<String>, CharSequence {
    // 用于存储字符串的值
    private final char value[];
    // 缓存字符串的 hash code
    private int hash; // Default to 0
    // ......其他内容
}


String 源码中包含下面几个重要的方法。

1. 多构造方法

String 字符串有以下 4 个重要的构造方法:

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// String 为参数的构造方法
public String(String original) {
    this.value = original.value;
    this.hash = original.hash;
}
// char[] 为参数构造方法
public String(char value[]) {
    this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
// StringBuffer 为参数的构造方法
public String(StringBuffer buffer) {
    synchronized(buffer) {
        this.value = Arrays.copyOf(buffer.getValue(), buffer.length());
    }
}
// StringBuilder 为参数的构造方法
public String(StringBuilder builder) {
    this.value = Arrays.copyOf(builder.getValue(), builder.length());
}


其中,比较容易被我们忽略的是以 StringBuffer 和 StringBuilder 为参数的构造函数,因为这三种数据类型,我们通常都是单独使用的,所以这个小细节我们需要特别留意一下。

2. equals() 比较两个字符串是否相等

源码如下:

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public boolean equals(Object anObject) {
    // 对象引用相同直接返回 true
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    // 判断需要对比的值是否为 String 类型,如果不是则直接返回 false
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {
            // 把两个字符串都转换为 char 数组对比
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            // 循环比对两个字符串的每一个字符
            while (n-- != 0) {
                // 如果其中有一个字符不相等就 true false,否则继续对比
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}


String 类型重写了 Object 中的 equals() 方法,equals() 方法需要传递一个 Object 类型的参数值,在比较时会先通过 instanceof 判断是否为 String 类型,如果不是则会直接返回 false,instanceof 的使用如下:

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Object oString = "123";
Object oInt = 123;
System.out.println(oString instanceof String); // 返回 true
System.out.println(oInt instanceof String); // 返回 false

当判断参数为 String 类型之后,会循环对比两个字符串中的每一个字符,当所有字符都相等时返回 true,否则则返回 false。

还有一个和 equals() 比较类似的方法 equalsIgnoreCase(),它是用于忽略字符串的大小写之后进行字符串对比。

3. compareTo() 比较两个字符串

compareTo() 方法用于比较两个字符串,返回的结果为 int 类型的值,源码如下:

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public int compareTo(String anotherString) {
    int len1 = value.length;
    int len2 = anotherString.value.length;
    // 获取到两个字符串长度最短的那个 int 值
    int lim = Math.min(len1, len2);
    char v1[] = value;
    char v2[] = anotherString.value;
    int k = 0;
    // 对比每一个字符
    while (k < lim) {
        char c1 = v1[k];
        char c2 = v2[k];
        if (c1 != c2) {
            // 有字符不相等就返回差值
            return c1 - c2;
        }
        k++;
    }
    return len1 - len2;
}

从源码中可以看出,compareTo() 方法会循环对比所有的字符,当两个字符串中有任意一个字符不相同时,则 return char1-char2。比如,两个字符串分别存储的是 1 和 2,返回的值是 -1;如果存储的是 1 和 1,则返回的值是 0 ,如果存储的是 2 和 1,则返回的值是 1。

还有一个和 compareTo() 比较类似的方法 compareToIgnoreCase(),用于忽略大小写后比较两个字符串。

可以看出 compareTo() 方法和 equals() 方法都是用于比较两个字符串的,但它们有两点不同:

  • equals() 可以接收一个 Object 类型的参数,而 compareTo() 只能接收一个 String 类型的参数;
  • equals() 返回值为 Boolean,而 compareTo() 的返回值则为 int。

它们都可以用于两个字符串的比较,当 equals() 方法返回 true 时,或者是 compareTo() 方法返回 0 时,则表示两个字符串完全相同。

4. 其他重要方法

  • indexOf():查询字符串首次出现的下标位置
  • lastIndexOf():查询字符串最后出现的下标位置
  • contains():查询字符串中是否包含另一个字符串
  • toLowerCase():把字符串全部转换成小写
  • toUpperCase():把字符串全部转换成大写
  • length():查询字符串的长度
  • trim():去掉字符串首尾空格
  • replace():替换字符串中的某些字符
  • split():把字符串分割并返回字符串数组
  • join():把字符串数组转为字符串

考点分析

这些题目考察的重点是,你对 Java 源码的理解,这也从侧面反应了你是否热爱和喜欢专研程序,而这正是一个优秀程序员所必备的特质。

String 源码属于所有源码中最基础、最简单的一个,对 String 源码的理解也反应了你的 Java 基础功底。

String 问题如果再延伸一下,会问到一些更多的知识细节,这也是大厂一贯使用的面试策略,从一个知识点入手然后扩充更多的知识细节,对于 String 也不例外,通常还会关联的询问以下问题:

  • 为什么 String 类型要用 final 修饰?
  • == 和 equals 的区别是什么?
  • String 和 StringBuilder、StringBuffer 有什么区别?
  • String 的 intern() 方法有什么含义?
  • String 类型在 JVM(Java 虚拟机)中是如何存储的?编译器对 String 做了哪些优化?

接下来我们一起来看这些问题的答案。

知识扩展

1. == 和 equals 的区别

== 对于基本数据类型来说,是用于比较 “值”是否相等的;而对于引用类型来说,是用于比较引用地址是否相同的。

查看源码我们可以知道 Object 中也有 equals()  方法,源码如下:

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public boolean equals(Object obj) {
    return (this == obj);
}


可以看出,Object 中的 equals() 方法其实就是 ==,而 String 重写了 equals() 方法把它修改成比较两个字符串的值是否相等。

源码如下:

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public boolean equals(Object anObject) {
    // 对象引用相同直接返回 true
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    // 判断需要对比的值是否为 String 类型,如果不是则直接返回 false
    if (anObject instanceof String) {
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
        if (n == anotherString.value.length) {
            // 把两个字符串都转换为 char 数组对比
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            // 循环比对两个字符串的每一个字符
            while (n-- != 0) {
                // 如果其中有一个字符不相等就 true false,否则继续对比
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

2. final 修饰的好处

从 String 类的源码我们可以看出 String 是被 final 修饰的不可继承类,源码如下:

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public final class String 
implements java.io.SerializableComparable<String>, CharSequence //...... }

那这样设计有什么好处呢?

Java 语言之父 James Gosling 的回答是,他会更倾向于使用 final,因为它能够缓存结果,当你在传参时不需要考虑谁会修改它的值;如果是可变类的话,则有可能需要重新拷贝出来一个新值进行传参,这样在性能上就会有一定的损失。

James Gosling 还说迫使 String 类设计成不可变的另一个原因是安全,当你在调用其他方法时,比如调用一些系统级操作指令之前,可能会有一系列校验,如果是可变类的话,可能在你校验过后,它的内部的值又被改变了,这样有可能会引起严重的系统崩溃问题,这是迫使 String 类设计成不可变类的一个重要原因。

总结来说,使用 final 修饰的第一个好处是安全;第二个好处是高效,以 JVM 中的字符串常量池来举例,如下两个变量:

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String s1 = "java";
String s2 = "java";

只有字符串是不可变时,我们才能实现字符串常量池,字符串常量池可以为我们缓存字符串,提高程序的运行效率,如下图所示:

试想一下如果 String 是可变的,那当 s1 的值修改之后,s2 的值也跟着改变了,这样就和我们预期的结果不相符了,因此也就没有办法实现字符串常量池的功能了。

3. String 和 StringBuilder、StringBuffer 的区别

因为 String 类型是不可变的,所以在字符串拼接的时候如果使用 String 的话性能会很低,因此我们就需要使用另一个数据类型 StringBuffer,它提供了 append 和 insert 方法可用于字符串的拼接,它使用 synchronized 来保证线程安全,如下源码所示:

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@Override
public synchronized StringBuffer append(Object obj) {
    toStringCache = null;
    super.append(String.valueOf(obj));
    return this;
}

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

因为它使用了 synchronized 来保证线程安全,所以性能不是很高,于是在 JDK 1.5 就有了 StringBuilder,它同样提供了 append 和 insert 的拼接方法,但它没有使用 synchronized 来修饰,因此在性能上要优于 StringBuffer,所以在非并发操作的环境下可使用 StringBuilder 来进行字符串拼接。

4. String 和 JVM

String 常见的创建方式有两种,new String() 的方式和直接赋值的方式,直接赋值的方式会先去字符串常量池中查找是否已经有此值,如果有则把引用地址直接指向此值,否则会先在常量池中创建,然后再把引用指向此值;而 new String() 的方式一定会先在堆上创建一个字符串对象,然后再去常量池中查询此字符串的值是否已经存在,如果不存在会先在常量池中创建此字符串,然后把引用的值指向此字符串,如下代码所示:

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String s1 = new String("Java");
String s2 = s1.intern();
String s3 = "Java";
System.out.println(s1 == s2); // false
System.out.println(s2 == s3); // true

它们在 JVM 存储的位置,如下图所示:

小贴士:JDK 1.7 之后把永生代换成的元空间,把字符串常量池从方法区移到了 Java 堆上。

除此之外编译器还会对 String 字符串做一些优化,例如以下代码:

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String s1 = "Ja" + "va";
String s2 = "Java";
System.out.println(s1 == s2);

虽然 s1 拼接了多个字符串,但对比的结果却是 true,我们使用反编译工具,看到的结果如下:

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Compiled from "StringExample.java"
public class com.lagou.interview.StringExample {
  public com.lagou.interview.StringExample();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return
    LineNumberTable:
      line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // String Java
       2: astore_1
       3: ldc           #2                  // String Java
       5: astore_2
       6: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       9: aload_1
      10: aload_2
      11: if_acmpne     18
      14: iconst_1
      15: goto          19
      18: iconst_0
      19: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
      22: return
    LineNumberTable:
      line 5: 0
      line 6: 3
      line 7: 6
      line 8: 22
}

从编译代码 #2 可以看出,代码 “Ja”+”va” 被直接编译成了 “Java” ,因此 s1==s2 的结果才是 true,这就是编译器对字符串优化的结果。

小结

从 String 的源码入手,重点讲了 String 的构造方法、equals() 方法和 compareTo() 方法,其中 equals() 重写了 Object 的 equals() 方法,把引用对比改成了字符串值对比,也介绍了 final 修饰 String 的好处,可以提高效率和增强安全性,同时我们还介绍了 String 和 JVM 的一些执行细节。