String类常用方法源码分析

迈不过友情╰ 2022-08-21 14:54 189阅读 0赞

环境：JDK8

主要分析String类的一些常用的方法源码。

# String    #

先看String类的定义：

public final class String
          implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence

可以看到String类被final修饰，因此不能被继承。String类还实现了序列化接口Serializable、可比较的接口Comparable并指定范型为String，该接口必须要实现int compareTo(T o)   方法。最后还实现了字符序列CharSequence接口，该接口也有些常用的方法，如charAt(int index)    、length()、toString()    等

## 构造字符串 ##

String类的无参构造函数：

/**
           * Initializes a newly created {@code String} object so that it represents
           * an empty character sequence.  Note that use of this constructor is
           * unnecessary since Strings are immutable.
           */
          public String() { 
              this.value = "".value;
          }

其中value定义：

private final char[] value

该构造函数创建了一个空的字符串并存在字符数组value中。

再看一个有参的构造函数：

public String(char value[]) { 
              this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
       }

该构造函数指定一个字符数组来创建一个字符序列。是通过Arrays的copyOf方法将字符数组拷贝到当前数组。

这样当修改字符数组的子串时，不会影响新字符数组。

经过以上分析可以看出，下面两个语句是等价的，因为String类底层使用char\[\]数组来存储字符序列。

char data[] = { 'a', 'b', 'c'};
       String str = new String(data);

## 使用字节数组构造一个String ##

在Java中，String实例中保存有一个char\[\]字符数组，char\[\]字符数组是以unicode码来存储的，String 和 char 为内存形式，byte是网络传输或存储的序列化形式。所以在很多传输和存储的过程中需要将byte\[\]数组和String进行相互转化。所以，String提供了一系列重载的构造方法来将一个字符数组转化成String，提到byte\[\]和String之间的相互转换就不得不关注编码问题。

String(byte\[\] bytes, Charset charset) 是指通过charset来解码指定的byte数组，将其解码成unicode的char\[\]数组，够造成新的String。

*  这里的bytes字节流是使用charset进行编码的，想要将他转换成unicode的char\[\]数组，而又保证不出现乱码，那就要指定其解码方式。

如果我们在使用byte\[\]构造String的时候，使用的是下面这四种构造方法(带有charsetName或者charset参数)的一种的话，那么就会使用StringCoding.decode方法进行解码，使用的解码的字符集就是我们指定的charsetName或者charset。 我们在使用byte\[\]构造String的时候，如果没有指明解码使用的字符集的话，那么StringCoding的decode方法首先调用系统的默认编码格式，如果没有指定编码格式则默认使用ISO-8859-1编码格式进行编码操作。主要体现代码如下：

static byte[] encode(String charsetName, char[] ca, int off, int len)
              throws UnsupportedEncodingException
          { 
              StringEncoder se = deref(encoder);
              String csn = (charsetName == null) ? "ISO-8859-1" : charsetName;
              if ((se == null) || !(csn.equals(se.requestedCharsetName())
                                    || csn.equals(se.charsetName()))) { 
                  se = null;
                  try { 
                      Charset cs = lookupCharset(csn);
                      if (cs != null)
                          se = new StringEncoder(cs, csn);
                  } catch (IllegalCharsetNameException x) {}
                  if (se == null)
                      throw new UnsupportedEncodingException (csn);
                  set(encoder, se);
              }
              return se.encode(ca, off, len);
       }

上面是编码清单，下面是解码清单：

static char[] decode(String charsetName, byte[] ba, int off, int len)
              throws UnsupportedEncodingException
          { 
              StringDecoder sd = deref(decoder);
              String csn = (charsetName == null) ? "ISO-8859-1" : charsetName;
              if ((sd == null) || !(csn.equals(sd.requestedCharsetName())
                                    || csn.equals(sd.charsetName()))) { 
                  sd = null;
                  try { 
                      Charset cs = lookupCharset(csn);
                      if (cs != null)
                          sd = new StringDecoder(cs, csn);
                  } catch (IllegalCharsetNameException x) {}
                  if (sd == null)
                      throw new UnsupportedEncodingException(csn);
                  set(decoder, sd);
              }
              return sd.decode(ba, off, len);
       }

## charAt ##

再看charAt（int index）方法源码：

public char charAt(int index) { 
              if ((index < 0) || (index >= value.length)) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
              }
              return value[index];
       
       }

该方法返回字符序列中下标为index的字符。并且index的范围：(0,value.length\].

## concat ##

再看publicString concat(String str)：

public String concat(String str) { 
              int otherLen = str.length();
              if (otherLen == 0) { 
                  return this;
              }
              int len = value.length;
              char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
              str.getChars(buf, len);
              return new String(buf, true);
          }

该方法先判断传递进来的参数字符串长度是否为0,如果是就返回当前字符串。

否则使用Arrays类的静态方法copyOf(char\[\] original, int newLength)

拷贝当前字符数组到新数组，指定长度为当前字符串长度加上参数字符串长度，然后通过getChars方法将value字符数组拷贝到buf字符数组，这点可以从getChars方法的实现中看到：

void getChars(char dst[], int dstBegin) { 
              System.arraycopy(value, 0, dst, dstBegin, value.length);
       }

可以看到，连接字符串操作实际是字符串的拷贝。最后，返回连接成功后的字符串。

最后是一个特殊的私有包范围类型的构造方法，String除了提供了很多公有的供程序员使用的构造方法以外，还提供了一个包范围类型的构造方法（Jdk 8），我们看一下他是怎么样的：

String(char[] value, boolean share) { 
              // assert share : "unshared not supported";
              this.value = value;
       }

从代码中我们可以看出，该方法和 String(char\[\] value)有两点区别：

1.  第一个，该方法多了一个参数： boolean share，其实这个参数在方法体中根本没被使用，也给了注释，目前不支持使用false，只使用true。那么可以断定，加入这个share的只是为了区分于String(char\[\] value)方法，不加这个参数就没办法定义这个函数，只有参数不能才能进行重载。
2.  第二个区别就是具体的方法实现不同。

我们前面提到过，String(char\[\] value)方法在创建String的时候会用到Arrays的copyOf方法将value中的内容逐一复制到String当中，而这个String(char\[\] value, boolean share)方法则是直接将value的引用赋值给String的value。

那么也就是说，这个方法构造出来的String和参数传过来的char\[\] value共享同一个数组。 那么，为什么Java会提供这样一个方法呢？

首先，我们分析一下使用该构造函数的好处：

1.  首先，**性能好**，这个很简单，一个是直接给数组赋值（相当于直接将String的value的指针指向char\[\]数组），一个是逐一拷贝。当然是直接赋值快了。
2.  其次，共享内部数组**节约内存**。

但是，该方法之所以设置为包范围，是因为一旦该方法设置为公有，在外面可以访问的话，那就破坏了字符串的不可变性。例如如下YY情形：

char[] arr = new char[] { 'h', 'e', 'l', 'l', 'o', ' ', 'w', 'o', 'r', 'l', 'd'};
       String s = new String(0, arr.length, arr); // "hello world"
       arr[0] = 'a'; // replace the first character with 'a'
       System.out.println(s); // aello world

如果构造方法没有对arr进行拷贝，那么其他人就可以在字符串外部修改该数组，由于它们引用的是同一个数组，因此对arr的修改就相当于修改了字符串。

所以，从安全性角度考虑，他也是安全的。**对于调用他的方法来说，由于无论是原字符串还是新字符串，其value数组本身都是String对象的私有属性，从外部是无法访问的，因此对两个字符串来说都很安全。**

在Jdk7 开始就有很多String里面的方法都使用这种“性能好的、节约内存的、安全”的构造函数。比如：substring、replace、concat、valueOf等方法（实际上他们使用的是public String(char\[\], int, int)方法，原理和本方法相同，已经被本方法取代）。

但是在Jdk 7中，substring已经不再使用这种“优秀”的方法了，为什么呢？ 虽然这种方法有很多优点，但是他有一个致命的缺点，对于sun公司的程序员来说是一个零容忍的bug，那就是他很有**可能造成内存泄露**。

看一个例子，假设一个方法从某个地方（文件、数据库或网络）取得了一个很长的字符串，然后对其进行解析并提取其中的一小段内容，这种情况经常发生在网页抓取或进行日志分析的时候。下面是示例代码：

String aLongString = "...a very long string..."; 
       String aPart = data.substring(20, 40);
       return aPart;

在这里aLongString只是临时的，真正有用的是aPart，其长度只有20个字符，但是它的内部数组却是从aLongString那里共享的，因此虽然aLongString本身可以被回收，但它的内部数组却不能（如下图）。这就导致了内存泄漏。如果一个程序中这种情况经常发生有可能会导致严重的后果，如内存溢出，或性能下降。

![20160505215858330][]

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下面贴下jdk6的substring源码：

public String More ...substring(int beginIndex, int endIndex) { 
              if (beginIndex < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
              }
              if (endIndex > count) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
              }
             if (beginIndex > endIndex) { 
                throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);
             }
              return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ? this :
                  new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
        }

最后返回调用

String(int offset, int count, char value[]) { 
               this.value = value;
               this.offset = offset;
              this.count = count;
       }

下面阅读一下jdk8中的substring方法和jdk6做个比较

## substring ##

substring有两个重载方法：

public String substring(int beginIndex) { 
              if (beginIndex < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
              }
              int subLen = value.length - beginIndex;
              if (subLen < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
              }
              return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
       }

public String substring(int beginIndex, int endIndex) { 
              if (beginIndex < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
              }
              if (endIndex > value.length) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
              }
              int subLen = endIndex - beginIndex;
              if (subLen < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
              }
              return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
                      : new String(value, beginIndex, subLen);
       }

这两个重载方法都是先计算要截取的子串长度，判断边界最后返回调用new String(value, beginIndex, subLen)方法，我们来看一下这个方法：

public String(char value[], int offset, int count) { 
              if (offset < 0) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
              }
              if (count <= 0) { 
                  if (count < 0) { 
                      throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
                  }
                  if (offset <= value.length) { 
                      this.value = "".value;
                      return;
                  }
              }
              // Note: offset or count might be near -1>>>1.
              if (offset > value.length - count) { 
                  throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
              }
              this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
       }

offset指第一个匹配的字符序列的索引，count指子串的长度。

最终该子串会被**拷贝**到字符数组value中，并且后续的字符数组的修改并不影响新创建的字符串。

**可以看到JDK6后substring方法底层是字符串的拷贝而不是数组引用。**

新的实现虽然损失了性能，而且浪费了一些存储空间，但却保证了字符串的内部数组可以和字符串对象一起被回收，从而防止发生内存泄漏，因此新的substring比原来的更健壮。

## contains ##

再来看public boolean contains(CharSequence s)：

public boolean contains(CharSequence s) { 
              return indexOf(s.toString()) > -1;
       }

该直接调用indexOf（String）方法：

public int indexOf(String str) { 
              return indexOf(str, 0);
       }

indexOf方法中又调用indexOf（String，int）方法，在该方法中又返回调用静态方法

static int indexOf(char\[\] source, int sourceOffset, int sourceCount, char\[\] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex)：

/**
           * Code shared by String and StringBuffer to do searches. The
           * source is the character array being searched, and the target
           * is the string being searched for.
           *
           * @param   source      要被搜索的字符串，即源字符串
           * @param   sourceOffset 源字符串的偏移
           * @param   sourceCount  源字符串的长度
           * @param   target       要在这个字符串中搜索，即目标字符串
           * @param   targetOffset 目标字符串偏移.
           * @param   targetCount  目标字符串长度.
           * @param   fromIndex    开始搜索的索引.
           */
          static int indexOf(char[] source, int sourceOffset, int sourceCount,
                  char[] target, int targetOffset, int targetCount,
                  int fromIndex) { 
              if (fromIndex >= sourceCount) { 
                  return (targetCount == 0 ? sourceCount : -1);
              }
              if (fromIndex < 0) { 
                  fromIndex = 0;
              }
              if (targetCount == 0) { 
                  return fromIndex;
              }
       
              char first = target[targetOffset];
              int max = sourceOffset + (sourceCount - targetCount);
       
              for (int i = sourceOffset + fromIndex; i <= max; i++) { 
                  /* Look for first character. */
                  if (source[i] != first) { 
                      while (++i <= max && source[i] != first);
                  }
       
                  /* Found first character, now look at the rest of v2 */
                  if (i <= max) { 
                      int j = i + 1;
                      int end = j + targetCount - 1;
                      for (int k = targetOffset + 1; j < end && source[j]
                              == target[k]; j++, k++);
       
                      if (j == end) { 
                          /* Found whole string. */
                          return i - sourceOffset;
                      }
                  }
              }
              return -1;
       }

首先判断开始索引如果大于源字符串则返回，若目标字符串长度为0返回源字符串长度，否则返回-1.

然后迭代查找字符，若全部源字符串都找到则返回第一个匹配的索引，否则返回-1.

所以在public boolean contains(CharSequence s)方法中，若indexOf方法返回-1则返回false，否则返回true。

## equals ##

public boolean equals(Object anObject) { 
               if (this == anObject) { 
                   return true;
               }
               if (anObject instanceof String) { 
                   String anotherString = (String)anObject;
                   int n = value.length;
                   if (n == anotherString.value.length) { 
                       char v1[] = value;
                       char v2[] = anotherString.value;
                       int i = 0;
                       while (n-- != 0) { 
                           if (v1[i] != v2[i])
                               return false;
                           i++;
                       }
                       return true;
                   }
               }
               return false;
        }

该方法首先判断this == anObject ？，也就是说判断要比较的对象和当前对象是不是同一个对象，如果是直接返回true，如不是再继续比较，然后在判断anObject是不是String类型的，如果不是，直接返回false,如果是再继续比较，到了能终于比较字符数组的时候，他还是先比较了两个数组的长度，不一样直接返回false，一样再逐一比较值。

## join ##

最后阅读下jdk8新加入的String类的静态方法join，这个方法是通过分隔符delimiter来构造字符的：

public static String join(CharSequence delimiter, CharSequence... elements) { 
               Objects.requireNonNull(delimiter);
               Objects.requireNonNull(elements);
               // Number of elements not likely worth Arrays.stream overhead.
               StringJoiner joiner = new StringJoiner(delimiter);
               for (CharSequence cs: elements) { 
                   joiner.add(cs);
               }
               return joiner.toString();
        }

StringJoiner 类也是jdk1.8开始加入的通过分隔符或前缀或后缀来构造字符串的，底层是字符序列的拷贝。

这个方法要求参数是都不能为空的，否则回报空指针异常，requireNonNull方法源码可以说明这点：

public static <T> T requireNonNull(T obj) { 
               if (obj == null)
                   throw new NullPointerException();
               return obj;
        }

该方法是jdk1.7开始加入的操作对象的工具类Objects包含的方法。

例子：

String message = String.join("-", "Java", "is", "cool");
        // message returned is: "Java-is-cool"

**如有疏漏请指出，谢谢！**

部分内容及图片参考：

http://www.hollischuang.com/archives/99

[20160505215858330]: /images/20220724/ba376b0a657d46c893a92cc0ddaafa6c.png
[Image 1]: