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Java String 对象,你真的了解了吗?

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发表于 前天?08:34 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
作者 | 平头哥的技术博文 责编 | 屠敏 出品 | CSDN 博客String 对象的实现
String对象是 Java 中使用最频繁的对象之一,所以 Java 公司也在不断的对String对象的实现进行优化,以便提升String对象的性能,看下面这张图,一起了解一下String对象的优化过程。

1. 在 Java6 以及之前的版本中String对象是对 char 数组进行了封装实现的对象,主要有四个成员变量:char 数组、偏移量 offset、字符数量 count、哈希值 hash。 String对象是通过 offset 和 count 两个属性来定位 char[] 数组,获取字符串。这么做可以高效、快速地共享数组对象,同时节省内存空间,但这种方式很有可能会导致内存泄漏。2. 从 Java7 版本开始到 Java8 版本从 Java7 版本开始,Java 对String类做了一些改变。String类中不再有 offset 和 count 两个变量了。这样的好处是String对象占用的内存稍微少了些,同时 String.substring 方法也不再共享 char[],从而解决了使用该方法可能导致的内存泄漏问题。3. 从 Java9 版本开始将 char[] 数组改为了 byte[] 数组,为什么需要这样做呢?我们知道 char 是两个字节,如果用来存一个字节的字符有点浪费,为了节约空间,Java 公司就改成了一个字节的byte来存储字符串。这样在存储一个字节的字符是就避免了浪费。 在 Java9 维护了一个新的属性 coder,它是编码格式的标识,在计算字符串长度或者调用 indexOf() 函数时,需要根据这个字段,判断如何计算字符串长度。coder 属性默认有 0 和 1 两个值, 0 代表Latin-1(单字节编码),1 代表 UTF-16 编码。如果 String判断字符串只包含了 Latin-1,则 coder 属性值为 0 ,反之则为 1。
String 对象的创建方式
1、通过字符串常量的方式String str= "pingtouge"的形式,使用这种形式创建字符串时, JVM 会在字符串常量池中先检查是否存在该对象,如果存在,返回该对象的引用地址,如果不存在,则在字符串常量池中创建该字符串对象并且返回引用。使用这种方式创建的好处是:避免了相同值的字符串重复创建,节约了内存。2、String()构造函数的方式String str = new String("pingtouge")的形式,使用这种方式创建字符串对象过程就比较复杂,分成两个阶段,首先在编译时,字符串pingtouge会被加入到常量结构中,类加载时候就会在常量池中创建该字符串。然后就是在调用new()时,JVM 将会调用String的构造函数,同时引用常量池中的pingtouge字符串, 在堆内存中创建一个String对象并且返回堆中的引用地址。 了解了String对象两种创建方式,我们来分析一下下面这段代码,加深我们对这两种方式的理解,下面这段代码片中,str是否等于str1呢?String str = "pingtouge";
String str1 = new String("pingtouge");
system.out.println(str==str1)我们逐一来分析这几行代码,首先从String str = "pingtouge"开始,这里使用了字符串常量的方式创建字符串对象,在创建pingtouge字符串对象时,JVM会去常量池中查找是否存在该字符串,这里的答案肯定是没有的,所以JVM将会在常量池中创建该字符串对象并且返回对象的地址引用,所以str指向的是pingtouge字符串对象在常量池中的地址引用。 然后是String str1 = new String("pingtouge")这行代码,这里使用的是构造函数的方式创建字符串对象,根据我们上面对构造函数方式创建字符串对象的理解,str1得到的应该是堆中pingtouge字符串的引用地址。由于str指向的是pingtouge字符串对象在常量池中的地址引用而str1指向的是堆中pingtouge字符串的引用地址,所以str肯定不等于str1。
String 对象的不可变性
从我们知道String对象的那一刻起,我想大家都知道了String对象是不可变的。那它不可变是怎么做到的呢?Java 这么做能带来哪些好处?我们一起来简单的探讨一下,先来看看String 对象的一段源码:public final class String
implements java.io.Serializable, Comparable, 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;
}从这段源码中可以看出,String类用了 final 修饰符,我们知道当一个类被 final 修饰时,表明这个类不能被继承,所以String类不能被继承。这是String不可变的第一点 再往下看,用来存储字符串的char value[]数组被private 和final修饰,我们知道对于一个被final的基本数据类型的变量,则其数值一旦在初始化之后便不能更改。这是String不可变的第二点。 Java 公司为什么要将String设置成不可变的,主要从以下三方面考虑: 1、保证 String 对象的安全性。假设 String 对象是可变的,那么 String 对象将可能被恶意修改。 2、保证 hash 属性值不会频繁变更,确保了唯一性,使得类似 HashMap 容器才能实现相应的 key-value 缓存功能。 3、可以实现字符串常量池
String 对象的优化
字符串是我们常用的Java类型之一,所以对字符串的操作也是避免不了的,在对字符串的操作过程中,如果使用不当,性能会天差地别。那么在字符串的操作过程中,有哪些地方需要我们注意呢?优雅的拼接字符串字符串的拼接是对字符串操作使用最频繁的操作之一,由于我们知道String对象的不可变性,所以我们在做拼接时尽可能少的使用+进行字符串拼接或者说潜意识里认为不能使用+进行字符串拼接,认为使用+进行字符串拼接会产生许多无用的对象。事实真的是这样吗?我们来做一个实验。我们使用+来拼接下面这段字符串。String str8 = "ping" +"tou"+"ge";一起来分析一下这段代码会产生多少个对象?如果按照我们理解的意思来分析的话,首先会创建ping对象,然后创建pingtou对象,最后才会创建pingtouge对象,一共创建了三个对象。真的是这样吗?其实不是这样的,Java 公司怕我们程序员手误,所以对编译器进行了优化,上面的这段字符串拼接会被我们的编译器优化,优化成一个String str8 = "pingtouge";对象。除了对常量字符串拼接做了优化以外,对于使用+号动态拼接字符串,编译器也做了相应的优化,以便提升String的性能,例如下面这段代码:String str = "pingtouge";
for(int i=0; i<1000; i++) {
str = str + i;
}编译器会帮我们优化成这样:String str = "pingtouge";
for(int i=0; i<1000; i++) {
str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
}可以看出 Java 公司对这一块进行了不少的优化,防止由于程序员不小心导致String性能急速下降,尽管 Java 公司在编译器这一块做了相应的优化,但是我们还是能看出 Java 公司优化的不足之处,在动态拼接字符串时,虽然使用了 StringBuilder 进行字符串拼接,但是每次循环都会生成一个新的 StringBuilder 实例,同样也会降低系统的性能。 所以我们在做字符串拼接时,我们需要从代码的层面进行优化,在动态的拼接字符串时,如果不涉及到线程安全的情况下,我们显示的使用 StringBuilder 进行拼接,提升系统性能,如果涉及到线程安全的话,我们使用 StringBuffer 来进行字符串拼接巧妙的使用 intern() 方法*

* When the intern method is invoked, if the pool already contains a
* string equal to this {@code String} object as determined by
* the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
* returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
* pool and a reference to this {@code String} object is returned.
*

public native String intern();
这是 intern() 函数的官方注释说明,大概意思就是 intern 函数用来返回常量池中的某字符串,如果常量池中已经存在该字符串,则直接返回常量池中该对象的引用。否则,在常量池中加入该对象,然后 返回引用。
有一位Twitter工程师在QCon全球软件开发大会上分享了一个他们对 String对象优化的案例,他们利用String.intern()方法将以前需要20G内存存储优化到只需要几百兆内存。这足以体现String.intern()的威力,我们一起来看一个例子,简单的了解一下String.intern()的用法。public static void main(String[] args) {
String str = new String("pingtouge");
String str1 = new String("pingtouge");
System.out.println("未使用intern()方法:"+(str==str1));
System.out.println("未使用intern()方法,str:"+str);
System.out.println("未使用intern()方法,str1:"+str1);
String str2= new String("pingtouge").intern();
String str3 = new String("pingtouge").intern();
System.out.println("使用intern()方法:"+(str2==str3));
System.out.println("使用intern()方法,str2:"+str2);
System.out.println("使用intern()方法,str3:"+str3);
}

从结果中可以看出,未使用String.intern()方法时,构造相同值的字符串对象返回不同的对象引用地址,使用String.intern()方法后,构造相同值的字符串对象时,返回相同的对象引用地址。这能帮我们节约不少空间。 String.intern()方法虽然好,但是我们要结合场景使用,不能乱用,因为常量池的实现是类似于一个HashTable的实现方式,HashTable 存储的数据越大,遍历的时间复杂度就会增加。如果数据过大,会增加整个字符串常量池的负担。灵活的字符串的分割字符串的分割是字符串操作的常用操作之一,对于字符串的分割,大部分人使用的都是 Split() 方法,Split() 方法大多数情况下使用的是正则表达式,这种分割方式本身没有什么问题,但是由于正则表达式的性能是非常不稳定的,使用不恰当会引起回溯问题,很可能导致 CPU 居高不下。在以下两种情况下 Split() 方法不会使用正则表达式:
传入的参数长度为1,且不包含“.\$|()[{^?*+\\”regex元字符的情况下,不会使用正则表达式
传入的参数长度为2,第一个字符是反斜杠,并且第二个字符不是ASCII数字或ASCII字母的情况下,不会使用正则表达式
所以我们在字符串分割时,应该慎重使用 Split() 方法,首先考虑使用 String.indexOf() 方法进行字符串分割,如果 String.indexOf() 无法满足分割要求,再使用 Split() 方法,使用 Split() 方法分割字符串时,需要注意回溯问题。 文章不足之处,望大家多多指点,共同学习,共同进步参考资料
Java性能调优实战 刘超
声明:本文为CSDN博主「平头哥的技术博文」的原创文章,版权归作者所有。


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