JDK源码阅读 (二) : String

1. String

1.1 构造String对象

有两种方式可以构造一个String对象：

String s1 = "dog";
String s2 = new String("dog");

①第一种构造方式是直接从字符串常量池中取得一个字符串对象"dog"，然后s1指向常量池中对应的位置。

需要注意的是，当试图从字符串常量池中取得"dog"对象时，发现没有，则会在池中创建该对象。当下一次又要从池中获取"dog"对象时，可以直接取得。这是一种缓存思想。

②第二种构造方式是在堆中申请一块区域，使用构造器创建一个String对象。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
     
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0
  
  	......
    //使用构造器创建对象
  	public String(String original) {
     
        this.value = original.value;
        this.hash = original.hash;
    }
}

在第二种创建方式中，我们调用了构造方法，首先会进行参数传递，也就是将"dog"赋值给original。此时又进行了第一种创建方式，但是现在可以直接从字符串常量池中取得“dog”对象。然后，在构造方法中，进行对象的浅拷贝。也就是说它们的成员char型数组是同一个。

1.2 String的不可变性

String类中持有一个char型数组，该数组类型被限制为 private final，即数组内容不可改变。

/** The value is used for character storage. */
private final char value[];

由于String内部所持有的字符序列不可变，那么其提供的所有的拼接、剪裁字符串的操作，实际上都返回了一个新的String对象，而不是原对象。

String的不可变性是字符串常量池设计的基础：由于字符串是不可变的，所以无需担心常量池中的数据会发生冲突，每个字符串对象都是独一无二的。

字符串常量池所处的位置：

• JDK6及以前，字符串常量池存放在永久代（方法区），永久代的空间有限，很少会被GC，如果使用不当，就有可能会出现OOM；
• JDK7，字符串常量池转移到 java堆中，所有这些字符串就跟普通对象一样存储在堆中，可以让用户在进行调优时仅需要调整堆的大小即可，同时也避免了永久代被占满的情况；
• JDK8永久代改为元空间，字符串常量池依然存放在堆中。

此外，String类本身也是不可以被继承的，它被声明为final class。

1.3 字符集和字符编码

1.3.1 简介

• 编码：把自然语言中出现的字符比如英文、汉字等转换为字节(即二进制数)，以存储在计算机中，称之为“编码encode”。
• 解码：把存储在计算机中的二进制数(即字节)转换为人类可以理解的字符，称之为“解码decode”。
• 编码字符集：指这个字符集里的每一个字符，都对应到唯一的一个数字，这些数字叫做代码点(code point)，可以看做是这个字符在编码字符集里的序号，字符在给定的编码方式下的二进制比特序列称为代码单元(code unit)。
• 字符编码：是编码字符集的字符和实际的存储值之间的转换关系。常见的编码方式有：UTF-8(Unicode字符集的编码方式)、UTF-16(Unicode字符集的编码方式)、UTF-32(Unicode字符集的编码方式)、ASCII(ASCII字符集的编码方式)等。

1.3.2 常用字符集

①ASCII字符集。

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码）主要用于对ASCII字符集进行单字节编码。ASCII字符集仅覆盖了控制字符（回车键、退格、换行键等）和可显示字符（英文大小写字符、阿拉伯数字和西文符号）。

它使用7位表示一个字符，这样只能支持128个字符。而后扩展到使用8位表示一个字符，共可表示256个字符。

②Unicode字符集。

由于ASCII字符集支持的字符太少，因此出现了Unicode字符集。Unicode把所有语言都统一到一套编码里，在表示一个Unicode的字符时，通常会用“U+”然后紧接着一组十六进制的数字来表示这一个字符。

在基本多文种平面(Basic Multilingual Plane, BMP, 简称为“零号平面”)里的所有字符，要用4位十六进制数，即U+0000到U+FFFF。比如”汉“对应的数字是U+6c49(十进制27721)，”字“对应的数字是U+5b57(十进制23383)。这里的数字也就是上面所说的”代码点“。

零号平面有一个专用区：0xE000-0xF8FF，有6400个码位。零号平面的0xD800-0xDFFF，共2048个码位，是一个被称作代理区（Surrogate）的特殊区域。

在零号平面以外的字符则需要使用5位或6位十六进制数表示，即U+10000到U+10FFFF的数字。

1.3.3 常用字符编码方式

在Unicode中，有多种方式可以将数字表示成程序中的数据，包括：UTF-8、UTF-16、UTF-32。UTF，全称Unicode Transformation Format，意思是Unicode转换格式，即怎样将Unicode定义的数字转换成程序数据。

1）UTF-8

UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码。编码方式如下：

Unicode编码(十六进制)	UTF-8字节流(二进制)
000000-00007F	0xxxxxxx
000080-0007FF	110xxxxx 10xxxxxx
000800-00FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
010000-10FFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

UTF-8是一种可变长字符编码，也是一种前缀码。

UTF-8使用1到4个字节为每个字符编码：

• 前128个ASCII字符只需1个字节编码，最高位为0，这128个字符的编码方式兼容ASCII码；
• 带有附加符号的拉丁文、希腊文、西里尔字母、亚美尼亚语、希伯来文、阿拉伯文、叙利亚文及它拿字母需要2个字节编码；
• 其他基本多文种屏幕中的字符（包括汉字）使用3个字节编码。比如，"汉"这个字符的Unicode编码是0x6c49 (十进制27721)，写成二进制是：0110 1100 0100 1001，将其填充到三字节编码模板中，得到的二进制字节流是11100110 10110001 10001001，即 -26 -79 -119；
• 其他少数字符使用4个字节编码。

java代码的验证：

通过对字符串调用getBytes()方法，实际上是对该字符串进行编码，然后将编码结果存放在byte数组中。该方法中默认的字符编码方式是 UTF-8，当然也可以传入其他的编码方式。

String str = "汉";
byte[] bytes = str.getBytes();
//bytes数组 = {-26,-79,-119}

再将字节数组解码成字符串，这里默认的解码方式也是UTF-8：

String str = "汉";
byte[] bytes = str.getBytes();
String s = new String(bytes);//“汉"

注意：以什么方式编码的，就要以什么方式解码。

2) UTF-16

UTF-16编码以16位无符号整数为单位。

如果Unicode编码不超过0xFFFF，则其UTF-16编码就是Unicode编码对应的16位无符号整数；

如果Unicode编码 (假设为U) 超过0xFFFF，我们先计算U’=U-0x10000，然后将U’写成二进制形式：yyyy yyyy yyxx xxxx xxxx，U的UTF-16编码（二进制）就是：110110yyyyyyyyyy 110111xxxxxxxxxx。

3) UTF-32

UTF-32编码以32位无符号整数为单位。Unicode的UTF-32编码就是其对应的32位无符号整数。

1.3.4 java中的字符集

java使用Unicode字符集。

java中的char类型是16位无符号基本数据类型，用于存储Unicode字符。char类型使用UTF-16编码，也即是说Unicode编码不超过0xFFFF只需要使用一个char；如果超出了0xFFFF，则使用2个char。汉字可以存储在一个char中。

String str = "汉";
byte[] bytes = str.getBytes();

在 jdk8 中，String中使用char数组存储字符序列，因此，字符串"汉"仅需使用一个char来存。

当字符串str调用getBytes方法时，将对char数组以UTF-8的方式进行编码，将"汉"对应的Unicode编码重新使用三字节编码，得到 -26 -79 -119。

在 jdk9 中，String中改用byte数组来存储字符序列。因为很多拉丁系语言的字符，使用16位char会造成了一定的空间浪费。使用byte来存储，可以更加紧凑，带来更小的内存占用和更快的操作速度。并且，底层的改变对java字符串的行为没有任何大的影响，这个特性对于绝大部分应用来说是透明的，绝大部分情况不需要修改已有代码。

// since java 9.0
private final byte[] value;

现在，我们通过代码来看看是如何将Unicode字符存储在byte数组中的。

String s1 = "a";
String s2 = "汉";

debug模式下，s1的byte数组值为{97}，s2的byte的数组值为{73, 108}。

"a"的Unicode编码为0x61，对应字节的十进制为97，直接将这个单字节存放在1个byte中。

而"汉"的Unicode编码为0x6c49，对应字节的十进制数为108 73，直接将这个16位双字节的Unicode编码存入byte数组中，但是存储时低位字节73放在了低端地址，高位字节108放在了高端地址，这是一种小端模式(Little endian)。

• 大端模式Big-Endian：就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
• 小端模式Little-Endian：就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

而在调用getBytes方法将Unicode数字通过UTF-16编码为字节数组时，前两位的-2，-1，即十六进制下的FEFF(补码)，FEFF表示存储采用大端模式，而FFFE表示使用小端模式。因此，这里采用的是大端模式，先存储了高位字节108，后存储了低位字节73。

String s1 = "a";
String s2 = "汉";
byte[] bytes1 = s1.getBytes("UTF-16");//{-2,-1,0,97}
byte[] bytes2 = s2.getBytes("UTF-16");//{-2,-1,108,73}

然而，原char数组实现方式下，字符串的最大长度就是数组本身的长度。当使用byte数组时，数组长度相同的情况下，存储能力则退化一倍。

1.4 equals方法

equals方法用于判断两个字符串的字符序列是否相同。

public boolean equals(Object anObject) {
     
  	//首先判断本字符串与要比较的对象是否地址相同，如果地址相同，则为同一个对象
    if (this == anObject) {
     
        return true;
    }
  	//其次，判断传入的对象是否是String类型的，必须都是String类型的对象才可以比较
    if (anObject instanceof String) {
     
        String anotherString = (String)anObject;
        int n = value.length;
      	//长度不同，肯定不相等
        if (n == anotherString.value.length) {
     
          	//长度相同的情况下，判断每一位是否一样
            char v1[] = value;
            char v2[] = anotherString.value;
            int i = 0;
            while (n-- != 0) {
     
                if (v1[i] != v2[i])
                    return false;
                i++;
            }
            return true;
        }
    }
    return false;
}

忽略大小写比较两个字符串是否相等。

public boolean equalsIgnoreCase(String anotherString) {
     
    return (this == anotherString) ? true
            : (anotherString != null)
            && (anotherString.value.length == value.length)
            && regionMatches(true, 0, anotherString, 0, value.length);
}

1.5 compareTo方法

根据字符的编码顺序，从左往右比较两个字符串谁大谁小。如果某个字符串是另一个字符串的前缀子串，则返回调用者和被比较者的长度之差。

public int compareTo(String anotherString) {
     
    int len1 = value.length;
    int len2 = anotherString.value.length;
    int lim = Math.min(len1, len2);
    char v1[] = value;
    char v2[] = anotherString.value;

    int k = 0;
    while (k < lim) {
     
        char c1 = v1[k];
        char c2 = v2[k];
        if (c1 != c2) {
     
            return c1 - c2;
        }
        k++;
    }
    return len1 - len2;
}

1.6 比较前缀和后缀

比较字符串是否以某前缀开始，或者以某后缀结束，都可以得益于下面方法。

判断从某个偏移位置开始，是否以传入的前缀开始。

比较前缀可以调用startsWith(prefix, 0)；比较后缀可以调用startsWith(suffix, value.length - suffix.value.length)。

public boolean startsWith(String prefix, int toffset) {
     
    char ta[] = value;
  	//取得原字符串的偏移位置
    int to = toffset;
    char pa[] = prefix.value;
  	//传入的前缀子串的起始位置
    int po = 0;
    int pc = prefix.value.length;
    //如果偏移位置小于0，或者偏移位置开始+前缀子串的长度已经超出了原字符串的长度，则直接返回false
    if ((toffset < 0) || (toffset > value.length - pc)) {
     
        return false;
    }
  	//一切就绪后，就可以开始一个字符一个字符地比较了，直到出现两个字符不一致，就返回false
    while (--pc >= 0) {
     
        if (ta[to++] != pa[po++]) {
     
            return false;
        }
    }
    return true;
}

1.7 匹配子串

1）寻找子串在原串中第一次出现的位置。String类中使用了朴素的字符串匹配方式，一个一个位置依次匹配。

	/**
     * @param   source       原字符串
     * @param   sourceOffset 原字符串的偏移位置
     * @param   sourceCount  原字符串的长度
     * @param   target       目标字符串
     * @param   targetOffset 目标字符串的偏移位置
     * @param   targetCount  目标字符串的长度
     * @param   fromIndex    从哪个位置开始搜索.
     */
static int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount,
        char[] target, int targetOffset, int targetCount,
        int fromIndex) {
     
  	//如果起始搜索位置超出了原字符串的长度
    if (fromIndex >= sourceCount) {
     
      	//如果目标字符串长度为0，则返回原串的长度，否则返回-1
        return (targetCount == 0 ? sourceCount : -1);
    }
  	//纠正起始搜索位置
    if (fromIndex < 0) {
     
        fromIndex = 0;
    }
  	//如果目标子串长度为0，则返回起始搜索位置
    if (targetCount == 0) {
     
        return fromIndex;
    }

    char first = target[targetOffset];
  	//目标子串最多只可能出现在原串起始位置加上两串长度之差的位置max，也就是说最多只需要遍历到原串的max位置
    int max = sourceOffset + (sourceCount - targetCount);

    for (int i = sourceOffset + fromIndex; i <= max; i++) {
     
        //先找到第一个相同字符的位置
        if (source[i] != first) {
     
            while (++i <= max && source[i] != first);
        }

      	//找到了第一个相同的字符，现在开始判断剩余的字符
        if (i <= max) {
     
          	//原串剩下字符的第二个位置
            int j = i + 1;
          	//此时按照目标子串的长度，需要原串需要对比的最后一个字符的下一位置
            int end = j + targetCount - 1;
          	//从目标子串的第二个位置开始依次对比
            for (int k = targetOffset + 1; j < end && source[j]
                    == target[k]; j++, k++);

            if (j == end) {
     
               	//找到了目标子串在原串中第一次出现的位置。
                return i - sourceOffset;
            }
        }
    }
    return -1;
}

2）寻找子串在原串中最后一次出现的位置。依然使用了朴素的字符串匹配方式，从最后一个相同的元素开始一一匹配。

static int lastIndexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount,
        char[] target, int targetOffset, int targetCount,
        int fromIndex) {
     
		//可能的最后起始位置
    int rightIndex = sourceCount - targetCount;
    if (fromIndex < 0) {
     
        return -1;
    }
    if (fromIndex > rightIndex) {
     
        fromIndex = rightIndex;
    }
    /* Empty string always matches. */
    if (targetCount == 0) {
     
        return fromIndex;
    }
		//目标子串的最后一个位置
    int strLastIndex = targetOffset + targetCount - 1;
  	//目标子串的最后一个元素
    char strLastChar = target[strLastIndex];
  	//原串中的可能的最前位置
    int min = sourceOffset + targetCount - 1;
  	//起始搜索位置
    int i = min + fromIndex;
//寻找最后一个匹配的元素
startSearchForLastChar:
    while (true) {
     
      	//找到最后一个匹配的元素的位置
        while (i >= min && source[i] != strLastChar) {
     
            i--;
        }
        if (i < min) {
     
            return -1;
        }
      	//匹配剩余位置的元素，j为原串对应子串长度下末尾的前一个位置
        int j = i - 1;
      	//start为原串对应子串长度下的第一个位置的前一个位置
        int start = j - (targetCount - 1);
      	//目标子串的倒数第二个位置
        int k = strLastIndex - 1;

        while (j > start) {
     
          	//发现剩下的元素无法匹配时，重新寻找最后一个匹配的元素的位置
            if (source[j--] != target[k--]) {
     
                i--;
                continue startSearchForLastChar;
            }
        }
      	//剩下元素都匹配时，整个子串匹配成功，返回原串中的对应位置
        return start - sourceOffset + 1;
    }
}

1.8 替换和分割字符串

1）字符替换

replace方法首先找到第一个需要替换的字符的位置，然后把前面所有的字符复制到新的数组中，然后从第一个需要替换的位置开始，依次判断是否需要替换成新的字符。

public String replace(char oldChar, char newChar) {
     
    if (oldChar != newChar) {
     
        int len = value.length;
        int i = -1;
        char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

        while (++i < len) {
     
            if (val[i] == oldChar) {
     
                break;
            }
        }
        if (i < len) {
     
            char buf[] = new char[len];
            for (int j = 0; j < i; j++) {
     
                buf[j] = val[j];
            }
            while (i < len) {
     
                char c = val[i];
              	//依次判断是否需要替换成新的字符
                buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                i++;
            }
            return new String(buf, true);
        }
    }
    return this;
}

2）使用正则表达式分割字符串

public String[] split(String regex, int limit) {
     
 
  	//首先判断是否可以采用快速方式，下面两种情况符合一种即可：
  	//(1)如果传入的分割字符串只有一个字符，并且不是不属于正则表达式的元字符集".$|()[{^?*+\\"
  	//(2)如果传入的分割字符串是两个字符，并且第一个字符是反斜杠，第二个字符不是ascii数字或ascii字母
    char ch = 0;
    if (((regex.value.length == 1 &&
         ".$|()[{^?*+\\".indexOf(ch = regex.charAt(0)) == -1) ||
         (regex.length() == 2 &&
          regex.charAt(0) == '\\' &&
          (((ch = regex.charAt(1))-'0')|('9'-ch)) < 0 &&
          ((ch-'a')|('z'-ch)) < 0 &&
          ((ch-'A')|('Z'-ch)) < 0)) &&
        (ch < Character.MIN_HIGH_SURROGATE ||
         ch > Character.MAX_LOW_SURROGATE))
    {
     
        int off = 0;
        int next = 0;
     //返回数组的长度是否受限制，当limit大于0时，表示数组的长度为limit，分割将在limit限制下结束；当limit等于0时，表示数组长度无限制，将会尽最大努力分割
        boolean limited = limit > 0;
      	//用ArrayList盛装分割出来的子串
        ArrayList<String> list = new ArrayList<>();
      	//通过调用indexOf方法，找到的ch的位置赋值给next，off是字符串开始搜索时的偏移量
        while ((next = indexOf(ch, off)) != -1) {
     
          	//如果分割不受限制
            if (!limited || list.size() < limit - 1) {
     
              	//将[off,next)这段子串放入list容器
                list.add(substring(off, next));
              	//然后off更新为next的下一位置，开始下一轮查找
                off = next + 1;
            } else {
         
                //由于限制数组长度，分割将要结束，把剩余的子串作为最后的子串，放入list
                list.add(substring(off, value.length));
              	//更新off
                off = value.length;
              	//跳出循环
                break;
            }
        }
        
      	//如果没有匹配到，则返回这个字符串的复制品
        if (off == 0)
            return new String[]{
     this};

        // 不受限制的情况下，找不到下一个匹配位置了，把剩余的子串作为最后一个子串放入list
        if (!limited || list.size() < limit)
            list.add(substring(off, value.length));

        // 构建结果数组，首先取得list的尺寸
        int resultSize = list.size();
      	//如果数组长度不受限制
        if (limit == 0) {
     
          	//如果list中存在空串""，则不会为空串创建数组空间
            while (resultSize > 0 && list.get(resultSize - 1).length() == 0) {
     
                resultSize--;
            }
        }
      	//构造结果数组
        String[] result = new String[resultSize];
      	//list调用subList方法取得子容器，然后将子容器中的元素转换为数组形式返回
        return list.subList(0, resultSize).toArray(result);
    }
  	//如果不可以用快速方式，则需要使用pattern进行分割，
  	//首先将regex解析成一个pattern，然后再对字符串继续分割
    return Pattern.compile(regex).split(this, limit);
}

3）String类中还提供将字符串两边的空格去除的方法trim()

public String trim() {
     
    int len = value.length;
    int st = 0;
    char[] val = value;    /* avoid getfield opcode */
		//去掉左侧空格，st指向新串的第一个字符
    while ((st < len) && (val[st] <= ' ')) {
     
        st++;
    }
  	//去除右侧空格，len指向新串的最后一个字符的下一位置
    while ((st < len) && (val[len - 1] <= ' ')) {
     
        len--;
    }
    return ((st > 0) || (len < value.length)) ? substring(st, len) : this;
}

1.9 其他类型转换为String

String类中提供了很多将其他类型转换为String的静态方法，大部分都可以直接调用已有的接口。

比如一个对象转换为String：

public static String valueOf(Object obj) {
     
  	//直接调用对象的toString方法
    return (obj == null) ? "null" : obj.toString();
}

char型数组转换为String：

public static String valueOf(char data[]) {
     
  	//调构造器
    return new String(data);
}

int转换为String：

public static String valueOf(int i) {
     
  	//调用Integer类提供的方法
    return Integer.toString(i);
}

1.10 字符串拼接

情形1：将一个堆中的String对象"a"和一个从字符串常量池中取得的字符串"b"进行拼接，或者将两个堆中的String对象"a"和"b"进行拼接。

String s1 = new String("a")+ "b";
String s2 = new String("a")+ new String("b");

jdk8中，以上代码在执行时，实际上是先创建了一个StringBuilder对象，依次将加号前后的字符串append进自身，然后调用toString方法形成得到一个新的String对象"ab"然后返回。

但值得注意的是，StringBuilder的toString方法。

public String toString() {
     
    // Create a copy, don't share the array
    return new String(value, 0, count);
}

该方法调用String类的构造器String(char value[], int offset, int count)，其构造的String对象中持有的字符序列实际上是StringBuilder中value的一个副本，并且也没有把String字符串放入常量池中。

因此，现在常量池中没有字符串"ab"。

注意：jdk9 中没有使用StringBuilder，而是利用了invokeDynamic指令（实际是利用了MethodHandle，统一了入口），将字符串拼接的优化与javac生成的字节码解耦。

情形2：

String s3 = "aa" + "bb" + "cc";

上述代码在javac编译期，就会被优化为直接从字符串常量池中取出字符串"aabbcc"。

1.11 intern方法

该方法被调用的时候，如果字符串常量池中已经存在该字符串，则直接从取常量池中的字符串对象返回；

如果池中不存在该字符串，那么就把这个字符串对象放入池中，更准确地说，是在常量池中引用堆中的这个字符串，并返回。

public native String intern();

通过下面代码验证：

1 String s1 = new String("a")+ new String("b");
2 s1.intern();
3 String s2 = "ab";
4 System.out.println(s1 == s2);//true

• 第1条语句执行完成后，由1.10中可知，常量池中没有字符串“ab”；
• 第2条语句调用intern方法，在常量池中放入这个字符串，但只是引用堆中s1这个对象而已；
• 第3条语句将s2指向常量池中的字符串，而池中实际上引用了对象s1；
• 所以，第4条语句可以得到 s1 == s2。

intern有何作用？

如果程序中需要创建大量的字符串，并且很多字符串是重复的，那么使用intern()将可以节省空间，因为重复的数据都会从常量池中取得。

比如：

public class InternTest{
     
	static final int MAX_COUNT = 1000 * 1000;
	static final String[] arr = new String[MAX_COUNT];
	
	public static void main(String[] args){
     
		Integer[] data = new Integer[]{
     1,2,3,4,5};

		for(int i = 0; i < MAX_COUNT; ++i){
     
      
      //下面做法将会创建MAX_COUNT个String对象，并将地址存入arr数组中
			//arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length]));
      
      //使用intern后，节约大量堆空间
			arr[i] = new String(String.valueOf(data[i % data.length])).intern();
      /*前5次循环，创建String对象，常量池引用这些堆中创建的String对象，然后返回常量池中的字符串
			* 5轮循环过后，依然创建这些字符串，但不用再放入常量池，因为已存在，现在只返回常量池的字符串，而堆中新创			 * 建的字符串，将会因为没有被引用，会被垃圾收集器清理。现在只需要维护5个String对象。
			*/
		}
	}
}