Java 中的 String 为何是不可变的？

什么是不可变对象？

众所周知， 在Java中， String类是不可变的。那么到底什么是不可变的对象呢？ 能够这样认为：若是一个对象，在它建立完成以后，不能再改变它的状态，那么这个对象就是不可变的。不能改变状态的意思是，不能改变对象内的成员变量，包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能指向其余的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变。

区分对象和对象的引用

对于Java初学者， 对于String是不可变对象老是存有疑惑。看下面代码：

String s = "ABCabc";
System.out.println("s = " + s);

s = "123456";
System.out.println("s = " + s);

打印结果为：

s = ABCabc
 s = 123456

首先建立一个String对象s，而后让s的值为“ABCabc”， 而后又让s的值为“123456”。 从打印结果能够看出，s的值确实改变了。那么怎么还说String对象是不可变的呢？ 其实这里存在一个误区： s只是一个String对象的引用，并非对象自己。对象在内存中是一块内存区，成员变量越多，这块内存区占的空间越大。引用只是一个4字节的数据，里面存放了它所指向的对象的地址，经过这个地址能够访问对象。

也就是说，s只是一个引用，它指向了一个具体的对象，当s=“123456”; 这句代码执行过以后，又建立了一个新的对象“123456”， 而引用s从新指向了这个心的对象，原来的对象“ABCabc”还在内存中存在，并无改变。内存结构以下图所示：

Java和C++的一个不一样点是， 在Java中不可能直接操做对象自己，全部的对象都由一个引用指向，必须经过这个引用才能访问对象自己，包括获取成员变量的值，改变对象的成员变量，调用对象的方法等。而在C++中存在引用，对象和指针三个东西，这三个东西均可以访问对象。其实，Java中的引用和C++中的指针在概念上是类似的，他们都是存放的对象在内存中的地址值，只是在Java中，引用丧失了部分灵活性，好比Java中的引用不能像C++中的指针那样进行加减运算。

为何String对象是不可变的？

要理解String的不可变性，首先看一下String类中都有哪些成员变量。 在JDK1.6中，String的成员变量有如下几个：

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

    /** The offset is the first index of the storage that is used. */
    private final int offset;

    /** The count is the number of characters in the String. */
    private final int count;

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

在JDK1.7中，String类作了一些改动，主要是改变了substring方法执行时的行为，这和本文的主题不相关。JDK1.7中String类的主要成员变量就剩下了两个：

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

由以上的代码能够看出， 在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的全部字符都是属于String这个对象的。这个改变不影响本文的讨论。 除此以外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，这个成员变量也和本文的讨论无关。在Java中，数组也是对象（能够参考我以前的文章java中数组的特性）。 因此value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码以后，真正的内存布局应该是这样的：

value，offset和count这三个变量都是private的，而且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，因此在String类的外部没法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改， 而且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的， 也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了， 也不能被改变。因此能够认为String对象是不可变的了。

那么在String中，明明存在一些方法，调用他们能够获得改变后的值。这些方法包括substring， replace， replaceAll， toLowerCase等。例如以下代码：

String a = "ABCabc";  
System.out.println("a = " + a);  
a = a.replace('A', 'a');  
System.out.println("a = " + a);

打印结果为：

a = ABCabc
a = aBCabc

那么a的值看似改变了，其实也是一样的误区。再次说明， a只是一个引用， 不是真正的字符串对象，在调用a.replace(‘A’, ‘a’)时， 方法内部建立了一个新的String对象，并把这个心的对象从新赋给了引用a。String中replace方法的源码能够说明问题：

读者能够本身查看其余方法，都是在方法内部从新建立新的String对象，而且返回这个新的对象，原来的对象是不会被改变的。这也是为何像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的缘由。也是为何像下面这样调用不会改变对象的值：

String ss = "123456";

System.out.println("ss = " + ss);

ss.replace('1', '0');

System.out.println("ss = " + ss);

打印结果：

ss = 123456
 ss = 123456

String对象真的不可变吗？

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化以后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，由于他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其余数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？ 好比将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。 至少在咱们本身写的普通代码中不可以作到，由于咱们根本不可以访问到这个value引用，更不能经过这个引用去修改数组。

那么用什么方式能够访问私有成员呢？ 没错，用反射， 能够反射出String对象中的value属性， 进而改变经过得到的value引用改变数组的结构。下面是实例代码：

public static void testReflection() throws Exception {

		//建立字符串"Hello World"， 并赋给引用s
		String s = "Hello World"; 

		System.out.println("s = " + s);	//Hello World

		//获取String类中的value字段
		Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");

		//改变value属性的访问权限
		valueFieldOfString.setAccessible(true);

		//获取s对象上的value属性的值
		char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);

		//改变value所引用的数组中的第5个字符
		value[5] = '_';

		System.out.println("s = " + s);  //Hello_World
	}

打印结果为：

s = Hello World
 s = Hello_World

在这个过程当中，s始终引用的同一个String对象，可是再反射先后，这个String对象发生了变化， 也就是说，经过反射是能够修改所谓的“不可变”对象的。可是通常咱们不这么作。这个反射的实例还能够说明一个问题：若是一个对象，他组合的其余对象的状态是能够改变的，那么这个对象极可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，可是这个Wheel对象内部的状态能够改变， 那么就不能很好的保证Car对象不可变。