为什么String要设计成不可变的

一、前言

为什么要将String设计为不可变的呢？这个问题一直困扰着许多人，甚至有人直接向Java的创始人James Gosling提问过。在一次采访中，当被问及何时应该使用不可变变量时，他给出了这样的回答：“只要有可能，我都会使用不可变变量”。那么，他为什么会给出这样的回答呢？这背后的原因是什么？他是基于哪些思考做出的呢？

实际上，将String设计为不可变的主要基于以下几个方面的考虑：缓存、安全性、线程安全和性能。

首先，不可变性使得String对象可以被缓存。由于String是不可变的，它们的值在创建后就不能被修改。因此，可以将String对象的值缓存在某个地方，以便在需要时重复使用，避免了重复创建相同值的String对象，节省了内存和提高了性能。

其次，不可变性也有助于提高安全性。由于String不能被修改，当String被用作敏感信息（例如密码）的容器时，可以避免被意外或恶意地修改。这在一些安全性要求较高的场景中非常重要。

此外，不可变性还使得String对象在多线程环境下是安全的。多个线程可以同时访问和共享String对象，而不需要额外的同步操作。这简化了多线程编程的复杂性，并提高了程序的性能。

综上所述，将String设计为不可变的带来了缓存、安全性、线程安全和性能等方面的好处。这也是James Gosling给出"只要有可能，我都会使用不可变变量"这样回答的原因所在。

二、缓存

字符串是一种广泛使用的数据结构。创建大量字符串对象会消耗大资源，因此Java提供了字符串缓存功能，可以有效节省堆空间。

在JVM中，有一个专门的空间用于存储Java字符串，即字符串池。通过字符串池，两个内容相同的字符串变量可以指向同一个字符串对象，从而节省了关键的内存资源。这样，当需要创建一个新的字符串对象时，首先会在字符串池中查找是否已经存在相同内容的字符串。如果存在，则直接返回池中的字符串对象，避免了重复创建相同值的字符串对象，从而节省了内存。

通过字符串缓存和字符串池的机制，Java可以更高效地处理字符串，减少了内存的消耗。这也是为什么Java中的String被设计为不可变的一个重要原因。

String s1  = "abc";
String s2 = s1;

对于这个例子，s1 和 s2 都表示"abc"，所以他们会指向字符串池中的同一个字符串对象：

这种做法的主要原因是字符串的不可变性。考虑一下，如果字符串是可变的，当我们修改了一个字符串变量的内容时，会导致其他引用该字符串的变量的内容也被改变，这显然不是我们期望的结果。

因此，Java中的字符串被设计为不可变的。一旦创建了一个字符串对象，它的内容就不能再被修改。当我们需要修改字符串的内容时，实际上是创建了一个新的字符串对象，并将修改后的内容赋值给新的对象。 这种不可变性保证了字符串的线程安全性和稳定性。

hashcode缓存

由于字符串对象经常被用作数据结构的键，例如HashMap、HashTable、HashSet等，因此它们在哈希实现中广泛使用。在对这些散列实现进行操作时，通常会调用hashCode()方法。

字符串的不可变性确保了它们的值不会改变。因此，String类中重写了hashCode()方法，以便在第一次调用hashCode()方法时计算并缓存散列值，并在以后的调用中返回相同的值。这种缓存机制能够提高性能。通过保持字符串的不可变性，Java可以有效地利用散列码的缓存，从而优化散列实现的性能。

在String类中，有以下代码：

/** Cache the hash code for the string */
private int hash; // Default to 0

三、性能

前面提到的字符串池和hashCode缓存等措施都是为了提升性能而设计的。由于字符串的不可变性，我们可以将相同的字符串共享在字符串池中，从而大大节省了堆内存的使用。此外，对于字符串的hashCode值，由于字符串的不可变性，在第一次计算hashCode时就可以进行缓存，后续的调用可以直接返回缓存的值，这样可以更加高效地进行哈希操作。

由于字符串是应用最广泛的数据结构之一，提高字符串的性能对于整个应用程序的总体性能有着相当大的影响。通过使用字符串池和缓存hashCode等优化手段，可以有效地提升字符串操作的性能，从而提高整个应用程序的性能表现。

四、安全性

在Java应用程序中，字符串被广泛用于存储敏感信息，例如用户名、密码、连接URL和网络连接等。同时，JVM类加载器在加载类时也大量使用字符串。

因此，保护String类对于提升整个应用程序的安全性至关重要。当我们在程序中传递一个字符串时，如果该字符串的内容是不可变的，我们可以相信其中的内容。然而，如果字符串是可变的，那么其内容可能随时被修改，这使得字符串内容变得不可信。这样一来，整个系统的安全性就无法保障。

因此，Java中的字符串被设计为不可变的，以确保敏感信息的安全性。一旦创建了一个字符串对象，其内容就不能再被修改。当我们需要修改字符串内容时，实际上是创建了一个新的字符串对象，并将修改后的内容赋值给新对象。这种不可变性保证了敏感信息的保密性和安全性。

通过保护String类的不可变性，Java能够确保敏感信息不会被意外修改或泄露。这种设计决策在Java应用程序中起到了重要的安全保护作用。

五、线程安全

• 不可变性使得字符串在多线程访问时变得线程安全，因为它们不会被修改。

• 因此，通常情况下，不可变对象可以在同时运行的多个线程之间共享。

• 由于不可变性，字符串也是线程安全的，因为如果一个线程修改了字符串的值，实际上会在字符串池中创建一个新的字符串，而不是修改原来的值。

• 因此，字符串在多线程环境下是安全的。通过保持字符串的不可变性，Java确保了字符串在多线程访问时的安全性。