java源码分析-String类不可变性讨论java源码分析-String类不可变性讨论

java源码分析-String类不可变性讨论

在很多面试过程中，有一个经常被问到的问题，请你谈一谈String对象为什么说是不可变的？

也许你会说，因为它被final修饰了，所以不可变。如果你这样回答，那么只能说，还是太年轻了。今天我们就好好讨论一下String对象的不可变性。

1.不可变对象

​ 要聊String对象的不可变性，我们先要搞明白什么是不可变对象？不可变对象，顾名思义，对象在创建之后对象就不能在改变了。

对象的状态

​ 对象的状态指的是存储在状态变量中的数据（状态变量包括实例或者静态域），还包括这个对象依赖的对象的域。

举例说明：

public class ObjectState {

    private final int num;

    private final Map<String,Object> map;

    public ObjectState(int num, Map<String, Object> map) {
        this.num = num;
        this.map = map;
    }

}

​ 上面的例子我们知道num是实例变量，也就是ObjectState的状态变量，HashMap集合对象也是。但是我们还要知道其实HashMap的状态不仅存储在HashMap本身，还存储在许多的Map .Entry对象中。例如下面的类ObjectState, 它的状态是由num和map的状态共同构成的，而map中又会包含很多的Map.Entry，这些Map.Entry对象的状态也属于ObjectState对象状态的一部分。

final的作用

​ 知道了对象的状态之后，我们再看一下final作用。

1）final修饰类的时候，表示该类不能被继承；

2）final修饰方法的时候，表示该方法不能被重写；

3）final修饰变量时，表示该变量不能被修改；

前面两个好理解，但是第三个的说法是不是与上面讲的map的例子有冲突了，map不也被final修饰了吗？应该不可变啊。其实不冲突！上面我们也提到了map本身没有改变，但是map集合中的entiry对象却并不受控制。本质上就是final修饰基本类型和引用类型的区别。

基本类型不多解释，final修饰之后，一旦赋值就不能再被改变了。而对于引用类型，final修饰他们的时候，只能保证引用本身没有变化，而对于引用所指向的对象内部的变化是不能够限制的。

我们再举个例子理解一下：

public class ObjectState2 {

    private final int num;

    private final String[] arr;

    public ObjectState2(int num, String[] arr) {
        this.num = num;
        this.arr = arr;
    }

    public void modify(){
        this.arr[0] = "2";
    }
}

可以看到尽管arr数组被final修饰，按理来说，一旦通过构造函数创建arr就不在改变，但是我们依旧可以通过modify方法对arr数组中的元素进行修改。这样也就破坏了对象的不可变性了。

所以，对于引用类型，需要保证该引用类型的状态也是不可变的，也就是说要保证引用类型所依赖的对象域也是不可改变的。

2.String类不可变型分析

要理解String类的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。在JDK1.8中，String的成员变量主要有以下几个：

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

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;    
    /**
     * Class String is special cased within the Serialization Stream Protocol.
     *
     * A String instance is written into an ObjectOutputStream according to
     * <a href="{@docRoot}/../platform/serialization/spec/output.html">
     * Object Serialization Specification, Section 6.2, "Stream Elements"</a>
     */
    private static final ObjectStreamField[] serialPersistentFields = new ObjectStreamField[0];

首先可以看到，String类使用了final修饰符，表明String类是不可继承的。
然后，我们主要关注String类的成员变量value,value是char[]类型，因为String对象实际上是用这个字符数组进行封装的。再看value的修饰符，使用了private，也没有提供setter方法，所以在String类的外部不能修改value，同时value也使用了final进行修饰，那么在String类的内部也不能修改value，但是上面final修饰引用类型变量的内容提到，这只能保证value不能指向其他的对象，但value指向的对象的状态是可以改变的。通过查看String类源码可以发现，String类不可变，关键是因为SUN公司的工程师，在后面所有String的方法里都很小心的没有去动字符数组里的元素。所以String类不可变的关键都在底层的实现，而不仅仅是一个final。

值得注意的是，hash没有用final修饰呢？我们来看hash的计算源码：

/**
     * Returns a hash code for this string. The hash code for a
     * {@code String} object is computed as
     * <blockquote><pre>
     * s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
     * </pre></blockquote>
     * using {@code int} arithmetic, where {@code s[i]} is the
     * <i>i</i>th character of the string, {@code n} is the length of
     * the string, and {@code ^} indicates exponentiation.
     * (The hash value of the empty string is zero.)
     *
     * @return  a hash code value for this object.
     */
public int hashCode() {
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) {
            char val[] = value;
            for (int i = 0; i < value.length; i++) {
                h = 31 * h + val[i];
            }
            hash = h;
        }
        return h;
    }

hash这个成员变量的值在没有被计算时，是默认的0，在调用hashCode才会真正计算hash值。而这个值的计算公式我们不难理解，对于一个长度为n的字符串s，hash=s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + … + s[n-1]，很明显，这个值每次计算都是一个固定值。

3.String真就不可变吗

​ String真就不可变吗？当我们思考这个的时候，可能已经想到了java有一个很强大的特性：反射。是的。虽然不能直接修改String对象的内容，但是，我们依然可以通过反射来进行一些骚操作，从而打破String对象的不可变性！

3.1通过反射

​ 下面我们通过反射来修改String对象的内容：

/**
 * 通过反射打破String的不可变性
 */
public class StringBreakImmutability {

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        String str1 = new String("ABC");
        System.out.println("反射前："+str1);
        //获取Class对象
        Class clazz = str1.getClass();
        //获取字段Field对象信息
        Field value = clazz.getDeclaredField("value");
        value.setAccessible(true);
        //获取值
        char[] ch = (char[]) value.get(str1);
        ch[0] = 'B';
        System.out.println("反射后："+str1);
    }
}

运行结果：

很明显，通过java的反射机制，我们成功打破String对象的不可变性，修改了其内容。

3.2通过JNI

​ 其实还有其他方法能够改变String对象的内容。JNI（java native Interface）就是另一种可以打破String不可变性的方法。JNI是一种java通过调用c/c++的方式来完成相应的与操作系统相关的底层动作的技术。也就是说我们通过java可以调用c/c++方法，而c/c++是偏底层的语言，可以做一些java本身无法做到的事情，那么修改String对象内容也不在话下了。

下面我们就来一步一步实现一下（测试基于Linux环境下）：

（1）写一个java类，调用native方法；

public class JNIDemo {
	private String str = new String("hello java");
    {
        //系统加载其他语言的函数
        System.load("/home/sj/test/jni_string.so");
    }

    //native标识本地方法
    public native void stringJNI();

    public static void main(String[] args) {
       	JNIDemo demo = new JNIDemo();
        System.out.println("before jni, str:"+demo.str);   
        demo.stringJNI();
       	System.out.println("after jni, str:"+demo.str);   
    }
}

将java文件上传至linux系统/home/sj/test文件夹下。

（2）通过javac命令编译该文件生成字节码文件；

/usr/local/jdk1.8/bin/javac JNIDemo.java

这样该路径下就会生成.class字节码文件JNIDemo.class。

（3）通过javah命令获取头文件；

/usr/local/jdk1.8/bin/javah JNIDemo

打开这个头文件，我们看看里面有些什么？

vim JNIDemo.h

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
#include <jni.h>
/* Header for class JNIDemo */

#ifndef _Included_JNIDemo
#define _Included_JNIDemo
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
 * Class:     JNIDemo
 * Method:    stringJNI
 * Signature: ()V
 */
JNIEXPORT void JNICALL Java_JNIDemo_stringJNI
  (JNIEnv *, jobject);

#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif

JNIEXPORT void JNICALL Java_JNIDemo_stringJNI 这句需要我们关注，因为后面的c语言实现的方法名称必须“Java_JNIDemo_helloJNI”一致。

（4）用c写一个native方法；

vim jni_string.c

#include <jni.h>
#include "JNIDemo.h"
#include <stdio.h>

JNIEXPORT void JNICALL Java_JNIDemo_stringJNI(JNIEnv *env,jobject obj){
	//得到java类名
    jclass java_class = (*env)->GetObjectClass(env,obj);
	//获取strin类型，注意string的类型签名有个分号；
    jfieldID id_str = (*env)->GetFieldID(env,java_class,"str","Ljava/lang/String;");
	//修改java的string成员变量值
    char* c_ch = "hello c";
	//字符数组c_ch转换成jstring类型   
    jstring cstr = (*env)->NewStringUTF(env,c_ch);
	//设置java的string类型变量s的值
    (*env)->SetObjectField(env,obj,id_str,cstr);
}

（5）使用cjni.c生成动态链接库文件：cJNI.so。

gcc  -fPIC -I /usr/local/jdk1.8/include  -I /usr/local/jdk1.8/include/linux   -shared -o jni_string.so jni_string.c

/usr/local/jdk1.8 是linux系统安装jdk源码路径；

注意生成的动态链接库文件名称cJNI.so要与一开始的java代码中System.load("/home/sj/jni/test/jni_string.so");对应。

这样该路径下就有如下的五个文件了:

（6）运行java程序，查看结果；

可以看到，我们通过JNI技术成功的修改了String对象的值。也就是我们前面说的通过JNI也可以打破iString对象的不可变性！

最后

以上就是粗心大神为你收集整理的java源码分析-String类不可变性讨论java源码分析-String类不可变性讨论的全部内容，希望文章能够帮你解决java源码分析-String类不可变性讨论java源码分析-String类不可变性讨论所遇到的程序开发问题。

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