阿里云面试：理解 Java 中 String 不可变性的重要性及其背后的机制：深入分析 String、StringBuffer 和 StringBuilder 的区别

rev(东↑西↓) 字数: 3637 阅读耗时: 9 分钟 2024/09/25 博客独享热度: 38 评论: 0

本文将探讨在阿里云面试中出现的一道 Java 基础面试题：“String、StringBuffer、StringBuilder 三者之间的区别，以及为什么 String 是不可变的。”许多文章对此的解释往往不够准确，因此希望本篇文章能提供清晰的理解。此外，我们还将讨论 Java 9 为什么将 String 的底层实现从 char[] 改为 byte[]。

下面开始正文内容。

可变性解析

String 类使用 final 关键字修饰的字符数组保存字符串，因而 String 对象是不可变的。其相关代码如下：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {  
    private final char value[];  
    //...  
}

🐛 修正说明：final 关键字限制了类的继承、方法的重写以及基本数据类型的值不可改变。对于引用类型的变量，final 仅防止其指向其他对象。因此，final 修饰的字符数组并不是 String 不可变的根本原因，因为该数组的内容是可以被修改的。真正导致 String 不可变的原因有以下几点：

保存字符串的字符数组被 final 修饰且为私有属性，同时 String 类没有提供修改该字符串的方法。

String 类被 final 修饰，无法被继承，从而避免了子类可能造成的不可变性破坏。

相关阅读：对于如何理解 String 类型值的不可变性，可以参考知乎的相关讨论[1]。

补充信息（来自 issue 675[2]）：在 Java 9 之后，String、StringBuilder 和 StringBuffer 的实现都采用了 byte 数组来存储字符串。

Java 9 中 `String` 底层实现为何由 `char[]` 改为 `byte[]`？

新版的 String 支持两种编码方案：Latin-1 和 UTF-16。如果字符串中包含的字符在 Latin-1 的表示范围内，则会使用 Latin-1 编码。Latin-1 编码下，byte 仅占用一个字节（8 位），而 char 占用两个字节（16 位），因此在内存利用上，byte 比 char 节省了一半的空间。

如果字符串中包含的字符超出了 Latin-1 的表示范围，则在存储空间上 byte 和 char 是等量的。这是官方的介绍：Java 9 JEP 254。

StringBuilder 和 StringBuffer 皆继承自 AbstractStringBuilder 类，该类同样使用字符数组保存字符串，但不使用 final 和 private 修饰，且提供了多种修改字符串的方法，例如 append 方法。

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {  
    char[] value;  
    public AbstractStringBuilder append(String str) {  
        if (str == null)  
            return appendNull();  
        int len = str.length();  
        ensureCapacityInternal(count + len);  
        str.getChars(0, len, value, count);  
        count += len;  
        return this;  
    }  
    //...  
}

线程安全性分析

由于 String 中的对象是不可变的，因此可以视为常量，因此它是线程安全的。而 AbstractStringBuilder 是 StringBuilder 和 StringBuffer 的父类，定义了一些基本的字符串操作方法如 expandCapacity、append、insert 和 indexOf 等。StringBuffer 对方法加了同步锁，因此是线程安全的；相比之下，StringBuilder 则未添加同步锁，因此不是线程安全的。

性能对比

每次对 String 类型进行修改时，都会生成一个新的 String 对象，同时将指针指向新的对象。而 StringBuffer 则是对自身对象进行操作，而不生成新对象，改变对象引用。在相同情境下，使用 StringBuilder 相较于 StringBuffer 仅能提高大约 10%~15% 的性能，但也带来了多线程不安全的风险。