Java String ソースコード分析

不変オブジェクトとは何ですか?

ご存知のとおり、Java では String クラスは不変です。では、不変オブジェクトとは正確には何でしょうか? 次のように考えることができます。オブジェクトの作成後にその狀態(tài)を変更できない場合、そのオブジェクトは不変です。狀態(tài)は変更できません。つまり、基本データ型の値を含むオブジェクト內(nèi)のメンバー変數(shù)は変更できません。また、參照型が指すオブジェクトの狀態(tài)も変更できません。変えられる。

オブジェクトとオブジェクト參照を區(qū)別する

Java 初心者にとって、String が不変オブジェクトであることについては常に疑問があります。次のコードを見てください:

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

出力される結(jié)果は次のとおりです:

s = ABCabc
s = 123456

まず String オブジェクト s を作成し、次に s の値を "ABCabc" にし、次に s の値を設(shè)定します。 「123456」になります。 印刷結(jié)果からわかるように、s の値は実際に変化しています。では、なぜ String オブジェクトは不変だとまだ言えるのでしょうか? 実際、ここには誤解があります。s は String オブジェクトへの単なる?yún)⒄栅扦ⅳ辍ⅴ芝弗Д茸泽wではありません。オブジェクトはメモリ內(nèi)のメモリ領(lǐng)域であり、メンバ変數(shù)が増えるほど、このメモリ領(lǐng)域が占有する領(lǐng)域も大きくなります。參照は、參照先のオブジェクトのアドレスを格納する 4 バイトのデータであり、このアドレスを通じてオブジェクトにアクセスできます。

つまり、 s は特定のオブジェクトを指す単なる?yún)⒄栅扦ⅳ辍ⅳ长违畅`ドが実行された後、新しいオブジェクト "123456" が作成され、參照 s は再び を指します。このハートの元のオブジェクト「ABCabc」はまだメモリ內(nèi)に存在しており、変更されていません。メモリ構(gòu)造は次の図に示されています。

Java と C++ の違いの 1 つは、Java ではオブジェクト自體を直接操作することができないことです。すべてのオブジェクトは參照によってポイントされ、オブジェクト自體が參照されます。メンバー変數(shù)の値の取得、オブジェクトのメンバー変數(shù)の変更、オブジェクトのメソッドの呼び出しなど、この參照を通じてアクセスする必要があります。 C++ には、參照、オブジェクト、ポインターの 3 つがあり、これら 3 つすべてがオブジェクトにアクセスできます。実際、Java の參照と C++ のポインタは概念的に似ています。ただし、Java では、參照は加算や減算のように使用することができません。 C++ のポインターのように実行されます。

なぜ String オブジェクトは不変なのでしょうか?

String の不変性を理解するには、まず String クラスのメンバー変數(shù)を見てください。 JDK1.6 では、String のメンバー変數(shù)には次のものが含まれます。

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

JDK1.7 では、String クラスにいくつかの変更が加えられ、主に実行時の部分文字列メソッドの動作が変更されました。これはこれと一致しています。記事 トピックは関係ありません。 JDK1.7 の String クラスの主なメンバー変數(shù)は 2 つだけです:

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

上記のコードからわかるように、Java の String クラスは実際には文字配列のカプセル化です。 JDK6 では、value は String によってカプセル化された配列、offset は値配列內(nèi)の String の開始位置、count は String が占める文字?jǐn)?shù)です。 JDK7 では、値変數(shù)は 1 つだけです。つまり、value 內(nèi)のすべての文字は String オブジェクトに屬します。この変更は、この記事の説明には影響しません。 さらに、String オブジェクトのハッシュ値のキャッシュであるハッシュ メンバー変數(shù)もありますが、このメンバー変數(shù)もこの記事の説明とは無関係です。 Java では、配列もオブジェクトです (以前の記事「Java における配列の特性」を參照してください)。 したがって、value は単なる?yún)⒄栅扦ⅳ辍g際の配列オブジェクトを指します。実際、コード String s = "ABCabc"; を?qū)g行した後、実際のメモリ レイアウトは次のようになります:

value、offset、count の 3 つの変數(shù)はすべてプライベートであり、パブリックには提供されません。これらの値を変更するには setValue、setOffset、setCount などのメソッドが使用されるため、String クラスの外部で String を変更することはできません。つまり、一度初期化すると変更することはできず、これら 3 つのメンバーには String クラスの外部からアクセスすることはできません。さらに、3 つの変數(shù) value、offset、count はすべて最終的な値です。つまり、String クラス內(nèi)では、これら 3 つの値が初期化されると変更できません。したがって、String オブジェクトは不変であると考えることができます。

つまり、String には明らかにいくつかのメソッドがあり、それらを呼び出すと変更された値を取得できます。これらのメソッドには、substring、replace、replaceAll、toLowerCase などが含まれます。たとえば、次のコード:

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

出力される結(jié)果は次のようになります:

a = ABCabc
a = aBCabc

那么a的值看似改變了，其實也是同樣的誤區(qū)。再次說明， a只是一個引用， 不是真正的字符串對象，在調(diào)用a.replace('A', 'a')時， 方法內(nèi)部創(chuàng)建了一個新的String對象，并把這個心的對象重新賦給了引用a。String中replace方法的源碼可以說明問題：

讀者可以自己查看其他方法，都是在方法內(nèi)部重新創(chuàng)建新的String對象，并且返回這個新的對象，原來的對象是不會被改變的。這也是為什么像replace， substring，toLowerCase等方法都存在返回值的原因。也是為什么像下面這樣調(diào)用不會改變對象的值：

String ss = "123456"; 
 
System.out.println("ss = " + ss); 
 
ss.replace('1', '0'); 
 
System.out.println("ss = " + ss);

打印結(jié)果：

ss = 123456
ss = 123456

String對象真的不可變嗎？

從上文可知String的成員變量是private final 的，也就是初始化之后不可改變。那么在這幾個成員中， value比較特殊，因為他是一個引用變量，而不是真正的對象。value是final修飾的，也就是說final不能再指向其他數(shù)組對象，那么我能改變value指向的數(shù)組嗎？ 比如將數(shù)組中的某個位置上的字符變?yōu)橄聞澗€“_”。 至少在我們自己寫的普通代碼中不能夠做到，因為我們根本不能夠訪問到這個value引用，更不能通過這個引用去修改數(shù)組。

那么用什么方式可以訪問私有成員呢？ 沒錯，用反射， 可以反射出String對象中的value屬性， 進(jìn)而改變通過獲得的value引用改變數(shù)組的結(jié)構(gòu)。下面是實例代碼：

public static void testReflection() throws Exception { 
   
  //創(chuàng)建字符串"Hello World"， 并賦給引用s 
  String s = "Hello World";  
   
  System.out.println("s = " + s); //Hello World 
   
  //獲取String類中的value字段 
  Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value"); 
   
  //改變value屬性的訪問權(quán)限 
  valueFieldOfString.setAccessible(true); 
   
  //獲取s對象上的value屬性的值 
  char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s); 
   
  //改變value所引用的數(shù)組中的第5個字符 
  value[5] = '_'; 
   
  System.out.println("s = " + s); //Hello_World 
}

打印結(jié)果為：

s = Hello World
s = Hello_World

在這個過程中，s始終引用的同一個String對象，但是再反射前后，這個String對象發(fā)生了變化， 也就是說，通過反射是可以修改所謂的“不可變”對象的。但是一般我們不這么做。這個反射的實例還可以說明一個問題：如果一個對象，他組合的其他對象的狀態(tài)是可以改變的，那么這個對象很可能不是不可變對象。例如一個Car對象，它組合了一個Wheel對象，雖然這個Wheel對象聲明成了private final 的，但是這個Wheel對象內(nèi)部的狀態(tài)可以改變， 那么就不能很好的保證Car對象不可變。

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