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            Java String 對象,你了解多少?

            原創 Python 作者:千鋒Python唐小強 時間:2019-10-23 13:15:32 0 刪除 編輯

            String 對象的實現

            String對象是 Java 中使用最頻繁的對象之一,所以 Java 公司也在不斷的對String對象的實現進行優化,以便提升String對象的性能,看下面這張圖,一起了解一下String對象的優化過程。

            Java String 對象,你真的了解了嗎?

            1. 在 Java6 以及之前的版本中

            String對象是對 char 數組進行了封裝實現的對象,主要有四個成員變量:char 數組、偏移量 offset、字符數量 count、哈希值 hash。

            String對象是通過 offset 和 count 兩個屬性來定位 char[] 數組,獲取字符串。這么做可以高效、快速地共享數組對象,同時節省內存空間,但這種方式很有可能會導致內存泄漏。

            2. 從 Java7 版本開始到 Java8 版本

            從 Java7 版本開始,Java 對String類做了一些改變。String類中不再有 offset 和 count 兩個變量了。這樣的好處是String對象占用的內存稍微少了些,同時 String.substring 方法也不再共享 char[],從而解決了使用該方法可能導致的內存泄漏問題。

            3. 從 Java9 版本開始

            將 char[] 數組改為了 byte[] 數組,為什么需要這樣做呢?我們知道 char 是兩個字節,如果用來存一個字節的字符有點浪費,為了節約空間,Java 公司就改成了一個字節的byte來存儲字符串。這樣在存儲一個字節的字符是就避免了浪費。

            在 Java9 維護了一個新的屬性 coder,它是編碼格式的標識,在計算字符串長度或者調用 indexOf() 函數時,需要根據這個字段,判斷如何計算字符串長度。coder 屬性默認有 0 和 1 兩個值, 0 代表Latin-1(單字節編碼),1 代表 UTF-16 編碼。如果 String判斷字符串只包含了 Latin-1,則 coder 屬性值為 0 ,反之則為 1。

            Java String 對象,你真的了解了嗎?

            String 對象的創建方式

            1、通過字符串常量的方式

            String str= "pingtouge"的形式,使用這種形式創建字符串時, JVM 會在字符串常量池中先檢查是否存在該對象,如果存在,返回該對象的引用地址,如果不存在,則在字符串常量池中創建該字符串對象并且返回引用。使用這種方式創建的好處是:避免了相同值的字符串重復創建,節約了內存。

            2、String()構造函數的方式

            String str = new String("pingtouge")的形式,使用這種方式創建字符串對象過程就比較復雜,分成兩個階段,首先在編譯時,字符串pingtouge會被加入到常量結構中,類加載時候就會在常量池中創建該字符串。然后就是在調用new()時,JVM 將會調用String的構造函數,同時引用常量池中的pingtouge字符串,在堆內存中創建一個String對象并且返回堆中的引用地址。

            了解了String對象兩種創建方式,我們來分析一下下面這段代碼,加深我們對這兩種方式的理解,下面這段代碼片中,str是否等于str1呢?

             String str = "pingtouge";
             String str1 = new String("pingtouge");
             system.out.println(str==str1)

            我們逐一來分析這幾行代碼,首先從String str = "pingtouge"開始,這里使用了字符串常量的方式創建字符串對象,在創建pingtouge字符串對象時,JVM會去常量池中查找是否存在該字符串,這里的答案肯定是沒有的,所以JVM將會在常量池中創建該字符串對象并且返回對象的地址引用,所以str指向的是pingtouge字符串對象在常量池中的地址引用。

            然后是String str1 = new String("pingtouge")這行代碼,這里使用的是構造函數的方式創建字符串對象,根據我們上面對構造函數方式創建字符串對象的理解,str1得到的應該是堆中pingtouge字符串的引用地址。由于str指向的是pingtouge字符串對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 對象的不可變性

            從我們知道String對象的那一刻起,我想大家都知道了String對象是不可變的。那它不可變是怎么做到的呢?Java 這么做能帶來哪些好處?我們一起來簡單的探討一下,先來看看String 對象的一段源碼:

            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;
             }

            從這段源碼中可以看出,String類用了 final 修飾符,我們知道當一個類被 final 修飾時,表明這個類不能被繼承,所以String類不能被繼承。這是String不可變的第一點

            再往下看,用來存儲字符串的char value[]數組被private 和final修飾,我們知道對于一個被final的基本數據類型的變量,則其數值一旦在初始化之后便不能更改。這是String不可變的第二點。

            Java 公司為什么要將String設置成不可變的,主要從以下三方面考慮:

            1、保證 String 對象的安全性。假設 String 對象是可變的,那么 String 對象將可能被惡意修改。

            2、保證 hash 屬性值不會頻繁變更,確保了唯一性,使得類似 HashMap 容器才能實現相應的 key-value 緩存功能。

            3、可以實現字符串常量池

            String 對象的優化

            字符串是我們常用的Java類型之一,所以對字符串的操作也是避免不了的,在對字符串的操作過程中,如果使用不當,性能會天差地別。那么在字符串的操作過程中,有哪些地方需要我們注意呢?

            優雅的拼接字符串

            字符串的拼接是對字符串操作使用最頻繁的操作之一,由于我們知道String對象的不可變性,所以我們在做拼接時盡可能少的使用+進行字符串拼接或者說潛意識里認為不能使用+進行字符串拼接,認為使用+進行字符串拼接會產生許多無用的對象。事實真的是這樣嗎?我們來做一個實驗。我們使用+來拼接下面這段字符串。

            String str8 = "ping" +"tou"+"ge";

            一起來分析一下這段代碼會產生多少個對象?如果按照我們理解的意思來分析的話,首先會創建ping對象,然后創建pingtou對象,最后才會創建pingtouge對象,一共創建了三個對象。真的是這樣嗎?其實不是這樣的,Java 公司怕我們程序員手誤,所以對編譯器進行了優化,上面的這段字符串拼接會被我們的編譯器優化,優化成一個String str8 = "pingtouge";對象。除了對常量字符串拼接做了優化以外,對于使用+號動態拼接字符串,編譯器也做了相應的優化,以便提升String的性能,例如下面這段代碼:

            String str = "pingtouge";
            for(int i=0; i<1000; i++) {
             str = str + i;
            }

            編譯器會幫我們優化成這樣:

            String str = "pingtouge";
            for(int i=0; i<1000; i++) {
             str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
            }

            可以看出 Java 公司對這一塊進行了不少的優化,防止由于程序員不小心導致String性能急速下降,盡管 Java 公司在編譯器這一塊做了相應的優化,但是我們還是能看出 Java 公司優化的不足之處,在動態拼接字符串時,雖然使用了 StringBuilder 進行字符串拼接,但是每次循環都會生成一個新的 StringBuilder 實例,同樣也會降低系統的性能。

            所以我們在做字符串拼接時,我們需要從代碼的層面進行優化,在動態的拼接字符串時,如果不涉及到線程安全的情況下,我們顯示的使用 StringBuilder 進行拼接,提升系統性能,如果涉及到線程安全的話,我們使用 StringBuffer 來進行字符串拼接

            巧妙的使用 intern() 方法

             * <p>
             * 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.
             * <p>
             public native String intern();

            這是 intern() 函數的官方注釋說明,大概意思就是 intern 函數用來返回常量池中的某字符串,如果常量池中已經存在該字符串,則直接返回常量池中該對象的引用。否則,在常量池中加入該對象,然后 返回引用。

            有一位Twitter工程師在QCon全球軟件開發大會上分享了一個他們對 String對象優化的案例,他們利用String.intern()方法將以前需要20G內存存儲優化到只需要幾百兆內存。這足以體現String.intern()的威力,我們一起來看一個例子,簡單的了解一下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);
             }
            Java String 對象,你真的了解了嗎?

            從結果中可以看出,未使用String.intern()方法時,構造相同值的字符串對象返回不同的對象引用地址,使用String.intern()方法后,構造相同值的字符串對象時,返回相同的對象引用地址。這能幫我們節約不少空間。

            String.intern()方法雖然好,但是我們要結合場景使用,不能亂用,因為常量池的實現是類似于一個HashTable的實現方式,HashTable 存儲的數據越大,遍歷的時間復雜度就會增加。如果數據過大,會增加整個字符串常量池的負擔。

            靈活的字符串的分割

            字符串的分割是字符串操作的常用操作之一,對于字符串的分割,大部分人使用的都是 Split() 方法,Split() 方法大多數情況下使用的是正則表達式,這種分割方式本身沒有什么問題,但是由于正則表達式的性能是非常不穩定的,使用不恰當會引起回溯問題,很可能導致 CPU 居高不下。在以下兩種情況下 Split() 方法不會使用正則表達式:

            • 傳入的參數長度為1,且不包含“.$|()[{^?*+\”regex元字符的情況下,不會使用正則表達式
            • 傳入的參數長度為2,第一個字符是反斜杠,并且第二個字符不是ASCII數字或ASCII字母的情況下,不會使用正則表達式

            所以我們在字符串分割時,應該慎重使用 Split() 方法,首先考慮使用 String.indexOf() 方法進行字符串分割,如果 String.indexOf() 無法滿足分割要求,再使用 Split() 方法,使用 Split() 方法分割字符串時,需要注意回溯問題。

            文章不足之處,望大家多多指點,共同學習,共同進步


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