什么是 String 不可变性？

在 Java 中，不可变性 意味着一个对象在被创建之后，其内部的状态（值）就不能被修改。

对于 String 这意味着一旦一个 String 对象被创建，你无法改变它所包含的字符序列，任何看似修改 String 的操作，实际上都是创建了一个新的 String 对象，而原始对象保持不变。

一个简单的例子

String s1 = "Hello";
String s2 = s1; // s2 和 s1 引用同一个对象
// 看似修改了 s1，但实际上发生了什么？
s1 = s1 + " World";
System.out.println("s1: " + s1); // 输出: s1: Hello World
System.out.println("s2: " + s2); // 输出: s2: Hello

执行过程解析：

1. String s1 = "Hello";：JVM 在字符串常量池中创建了一个值为 "Hello" 的 String 对象，s1 引用它。
2. String s2 = s1;：s2 也引用了同一个 "Hello" 对象。
3. s1 = s1 + " World";：这里发生了关键操作。
   • 运算符会创建一个新的 StringBuilder 对象。
   • StringBuilder 调用 append("Hello")，append(" World")。
   • StringBuilder 调用 toString() 方法，创建了一个全新的 String 对象为 "Hello World"。
   • s1 这个引用变量被重新指向了这个新创建的 "Hello World" 对象。
4. s2 仍然指向最初的那个 "Hello" 对象，所以它的值没有改变。

String 对象本身没有被修改，而是被一个新对象所取代。

为什么 Java 的 String 要设计成不可变？

String 的不可变性是 Java 设计者深思熟虑的结果，主要基于以下几个关键原因：

字符串常量池 的实现

这是最重要、最直接的原因。

• 什么是字符串常量池？ 它是 JVM 堆内存中的一块特殊区域，用于存储字符串字面量，当使用双引号 创建字符串时，JVM 会先检查常量池中是否已存在该字符串，如果存在，则直接返回引用；如果不存在，则创建新字符串并存入池中。
• 不可变性如何帮助池化？ 因为字符串是不可变的，所以它们可以被安全地共享，多个变量可以引用同一个字符串常量，而不用担心一个变量的修改会影响其他变量，如果字符串是可变的，那么当一个引用修改了字符串内容时，其他所有引用都会受到“副作用”，这会导致池化机制崩溃和不可预测的行为。

// s1 和 s2 实际上引用的是池中同一个 "abc" 对象
String s1 = "abc";
String s2 = "abc"; 
System.out.println(s1 == s2); // 输出 true，因为它们是同一个对象

线程安全

在多线程环境中,不可变对象天生就是线程安全的。

• 无需同步：因为 String 对象的状态在创建后永远不会改变，所以多个线程可以同时读取同一个 String 对象，而无需进行任何同步或加锁操作，这极大地简化了并发编程，避免了因数据竞争导致的问题。
• 可变对象的噩梦：String 是可变的，那么一个线程在读取字符串的同时，另一个线程可能会修改它，导致读取到不一致或错误的数据。

安全性

String 被广泛用于 Java 平台的安全敏感场景，例如加载类、文件路径、网络地址等。

• 防止篡改：假设 String 是可变的，那么一个恶意程序可以获取到一个指向系统关键路径（如 C:\Windows\System32）的 String 引用，然后修改其内容为恶意路径（如 C:\Evil\malware.exe），由于 String 不可变，这种攻击在 Java 中是不可能发生的，一旦路径被设置，它就是可信的、不可更改的。
• 作为哈希表的键：String 经常被用作 HashMap 或 HashSet 的键，对象的哈希值通常是基于其内容计算的。String 内容可变，那么它的哈希值也会随之改变，这将导致在哈希表中无法再找到它（因为它已经被存放在基于旧哈希值的桶里），从而破坏数据结构的完整性。

性能优化

虽然每次修改都创建新对象听起来可能很低效,但不可变性带来的优化远超于此。

• 哈希码缓存：因为 String 不可变，所以它的哈希值在第一次计算后可以被缓存起来，之后每次调用 hashCode() 方法时，无需重新计算，直接返回缓存值即可，这对于 HashMap 等依赖哈希码的集合来说，性能提升非常显著。
• 作为不变对象，可以被自由地共享和重用，如第1点所述，这减少了内存中对象的创建数量。

String 不可变性的实现机制

String 类是如何保证其不可变性的？主要通过以下几个设计：

1. 类声明为 final

   public final class String ...

   这意味着 String 类不能被继承。String 可被继承，那么子类就可以重写其方法（如 substring(), replace() 等）来改变其行为，从而破坏不可变性。

2. 内部字符数组声明为 private final

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

   • private：确保外部代码无法直接访问和修改这个内部数组。
   • final：确保一旦这个数组被初始化，它就不能再被重新赋值指向另一个数组。注意：final 只能保证引用 value 不能指向新数组，但并不保证数组内部的元素（value[0], value[1] 等）不能被修改。String 类中的所有方法都遵守了不修改这个数组的约定，从而保证了不可变性。

3. 没有提供任何修改字符串内容的方法 String 类中没有任何 public 的方法可以修改其内部字符序列，所有像 substring(), replace(), concat() 等方法，都会返回一个新的 String 对象，而不是在原对象上进行修改。

可变字符串的替代方案

当你确实需要频繁修改字符串内容时（在循环中拼接大量字符串），应该使用可变的字符串类，以避免创建大量临时对象带来的性能开销。

• StringBuilder：非线程安全的可变字符序列，在单线程环境下，它的性能最高，因为没有同步开销。这是绝大多数情况下的首选。
• StringBuffer：线程安全的可变字符序列，它的所有公共方法都使用了 synchronized 关键字来保证线程安全，在多线程环境下是安全的，但性能会比 StringBuilder 稍差。

// 高效的字符串拼接方式
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append("number ").append(i);
}
String result = sb.toString();

Java 将 String 设计为不可变类是一个经过深思熟虑的、权衡了性能、内存、安全性和并发性后做出的优秀工程决策，虽然它在某些场景下会创建新对象，但其带来的整体好处远大于这一点“成本”。