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（十六）Java String类全面解析

backend 2025/5/14 6:31:08

一、String类概述

1.1 String的本质

在Java中，String类可能是使用最频繁的类之一，但它也是最容易被误解的类之一。从本质上讲，String代表的是一个不可变的Unicode字符序列。这种不可变性(immutability)是String类设计的核心特性。

java

String str = "Hello";
str = str + " World";  // 实际上是创建了一个新的String对象

当我们在Java中创建一个String对象时，它会被存储在Java内存的特定区域——字符串常量池(String Pool)中。这种设计带来了性能和内存使用的优化。

1.2 String在内存中的存储

理解String在内存中的存储方式对于编写高效Java程序至关重要：

  1. 字符串常量池：位于方法区(Method Area)的一部分，用于存储字符串字面量

  2. 堆内存：通过new关键字创建的String对象存储在堆中

  3. intern机制：可以手动将字符串放入常量池

java

String s1 = "Java";  // 存储在字符串常量池
String s2 = new String("Java");  // 存储在堆内存
String s3 = s2.intern();  // 返回常量池中的引用

1.3 String的不可变性

String的不可变性体现在以下几个方面：

  1. 类设计：String类被声明为final，防止被继承和修改

  2. 内部存储：内部使用final char[](JDK9后改为byte[])存储数据

  3. 方法行为：所有看似修改字符串的方法都返回新对象

不可变性的优点：

  • 线程安全

  • 可以缓存hash值

  • 便于实现字符串池

  • 安全性考虑(如网络连接、文件路径等)

二、String的创建方式

2.1 字面量创建

最直接的方式是使用双引号创建字符串字面量：

java

String str1 = "Java";
String str2 = "Java";  // 重用常量池中的相同对象
System.out.println(str1 == str2);  // true，引用相同对象

2.2 new关键字创建

使用构造器创建String对象会在堆中创建新实例：

java

String str3 = new String("Java");
String str4 = new String("Java");
System.out.println(str3 == str4);  // false，不同对象

2.3 字符数组创建

可以从字符数组创建String对象：

java

char[] charArray = {'J', 'a', 'v', 'a'};
String str5 = new String(charArray);

2.4 字节数组创建

处理字节流时常用此方式，可以指定字符编码：

java

byte[] byteArray = {74, 97, 118, 97};
String str6 = new String(byteArray, StandardCharsets.UTF_8);

2.5 StringBuffer/StringBuilder创建

从可变字符串类构建：

java

StringBuffer buffer = new StringBuffer("Java");
StringBuilder builder = new StringBuilder("Java");
String str7 = new String(buffer);
String str8 = new String(builder);

三、String常用API详解

3.1 字符串基本信息

3.1.1 length() - 获取长度

返回字符串的Unicode字符数：

java

String str = "Java编程";
System.out.println(str.length());  //

注意与数组的length属性区分，数组是属性，字符串是方法。

3.1.2 isEmpty() - 判断空串

检查字符串是否为空(长度为0)：

java

"".isEmpty();      // true
" ".isEmpty();     // false
null.isEmpty();    // NullPointerException
3.1.3 isBlank() - JDK11新增

检查字符串是否为空或仅包含空白字符：

java

"".isBlank();      // true
" ".isBlank();     // true
"\t\n".isBlank();  // true

3.2 字符串比较

3.2.1 equals() - 内容相等

比较字符串内容是否相同：

java

String s1 = "Java";
String s2 = new String("Java");
s1.equals(s2);  // true
3.2.2 equalsIgnoreCase() - 忽略大小写

不区分大小写的比较：

java

"Java".equalsIgnoreCase("JAVA");  // true
3.2.3 compareTo() - 字典序比较

按Unicode值比较字符串，返回差值：

java

"apple".compareTo("banana");  // 负值(a<b)
"zoo".compareTo("apple");     // 正值(z>a)
"java".compareTo("java");     // 0
3.2.4 contentEquals() - 与CharSequence比较

比较与任何CharSequence(如StringBuilder)的内容：

java

String str = "Java";
StringBuilder sb = new StringBuilder("Java");
str.contentEquals(sb);  // true

3.3 字符串查找

3.3.1 indexOf() - 查找字符/子串

返回第一次出现的索引：

java

"Java".indexOf('a');       // 1
"Java".indexOf("va");      // 2
"Java".indexOf('a', 2);    // 从索引2开始找，返回3
3.3.2 lastIndexOf() - 反向查找

返回最后一次出现的索引：

java

"Java".lastIndexOf('a');    // 3
"Java".lastIndexOf("va");   // 2
3.3.3 contains() - 包含检查

检查是否包含指定字符序列：

java

"Java".contains("av");  // true
3.3.4 startsWith()/endsWith() - 前缀/后缀检查

java

"Java".startsWith("Ja");   // true
"Java".endsWith("va");     // true
3.3.5 matches() - 正则匹配

使用正则表达式匹配整个字符串：

java

"Java8".matches("Java\\d");  // true

3.4 字符串操作

3.4.1 substring() - 子串提取

提取子字符串：

java

"Hello World".substring(6);     // "World"
"Hello World".substring(0, 5);  // "Hello"

注意：JDK7u6之前substring共享原char数组可能导致内存泄漏。

3.4.2 concat() - 字符串连接

连接字符串(不如+或StringBuilder常用)：

java

"Hello".concat(" World");  // "Hello World"
3.4.3 replace() - 字符/子串替换

替换字符或子串：

java

"Java".replace('a', 'o');     // "Jovo"
"Java".replace("va", "vaEE"); // "JavaEE"
3.4.4 replaceAll()/replaceFirst() - 正则替换

使用正则表达式替换：

java

"a1b2c3".replaceAll("\\d", "-");  // "a-b-c-"
"a1b2c3".replaceFirst("\\d", "-"); // "a-b2c3"
3.4.5 split() - 字符串分割

按正则表达式分割字符串：

java

"a,b,c".split(",");        // ["a", "b", "c"]
"a..b.c".split("\\.+");    // ["a", "b", "c"]
3.4.6 join() - 字符串拼接

JDK8新增，用分隔符连接字符串：

java

String.join("-", "Java", "is", "cool"); // "Java-is-cool"
3.4.7 repeat() - JDK11新增

重复字符串指定次数：

java

"Java".repeat(3);  // "JavaJavaJava"
3.4.8 toLowerCase()/toUpperCase() - 大小写转换

java

"Java".toLowerCase();  // "java"
"Java".toUpperCase();  // "JAVA"

注意：在土耳其等地区可能需要指定Locale。

3.5 字符串转换

3.5.1 toCharArray() - 转为字符数组

java

char[] chars = "Java".toCharArray();
3.5.2 getBytes() - 转为字节数组

可以指定字符编码：

java

byte[] bytes1 = "Java".getBytes();
byte[] bytes2 = "Java".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
3.5.3 valueOf() - 其他类型转String

静态方法，将各种类型转为String：

java

String.valueOf(123);     // "123"
String.valueOf(true);    // "true"
String.valueOf(3.14);    // "3.14"
String.valueOf(new Object()); // 调用toString()
3.5.4 format() - 格式化字符串

类似C的printf：

java

String.format("Hi, %s! You have %d messages.", "Alice", 5);

3.6 字符串空白处理

3.6.1 trim() - 去除两端空白

去除ASCII空白字符(<=U+0020)：

java

"  Java  ".trim();  // "Java"
3.6.2 strip() - JDK11新增

去除Unicode空白字符：

java

"\u2000Java\u2000".strip();  // "Java"
3.6.3 stripLeading()/stripTrailing() - JDK11新增

仅去除前导或尾部空白：

java

"  Java  ".stripLeading();   // "Java  "
"  Java  ".stripTrailing();  // "  Java"

3.7 其他实用方法

3.7.1 intern() - 字符串池化

将字符串放入常量池或返回已有引用：

java

String s1 = new String("Java").intern();
String s2 = "Java";
s1 == s2;  // true
3.7.2 chars() - JDK8流式处理

返回IntStream，可用于函数式处理：

java

"Java".chars().forEach(System.out::println);
3.7.3 codePoints() - 处理Unicode代码点

正确处理补充字符(如emoji)：

java

"😊Java".codePoints().forEach(System.out::println);
3.7.4 lines() - JDK11按行分割

按行终止符分割字符串：

java

"Line1\nLine2\rLine3".lines().forEach(System.out::println);

四、String性能优化

4.1 字符串拼接的陷阱

字符串拼接是性能问题的常见来源：

java

// 低效写法 - 产生多个中间String对象
String result = "";
for (int i = 0; i < 100; i++) {result += i;
}// 高效写法 - 使用StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100; i++) {sb.append(i);
}
String result = sb.toString();

4.2 字符串常量池的利用

合理利用字符串常量池可以减少内存使用：

java

// 推荐 - 使用字面量
String s1 = "Java";// 不推荐 - 除非必要，避免new String
String s2 = new String("Java");// 大量重复字符串可考虑intern()
String s3 = new String(charArray).intern();

4.3 大字符串处理

处理大文本时：

  1. 考虑使用StringReader和StringWriter

  2. 避免在内存中保存整个大字符串

  3. 使用substring时注意老版本的内存泄漏问题

4.4 正则表达式优化

复杂正则可能成为性能瓶颈：

java

// 预编译正则表达式
Pattern pattern = Pattern.compile("your_regex");
Matcher matcher = pattern.matcher(input);
while (matcher.find()) {// 处理匹配
}

五、String相关类比较

5.1 String vs StringBuffer vs StringBuilder

特性StringStringBufferStringBuilder
可变性不可变可变可变
线程安全是(因为不可变)是(同步方法)否
性能-比StringBuilder慢最快
使用场景常量字符串多线程环境字符串操作单线程环境字符串操作

5.2 CharSequence接口

String、StringBuilder、StringBuffer都实现了CharSequence接口，定义了对字符序列的基本操作。当只需要读取字符序列时，使用CharSequence作为参数类型更通用。

六、Java版本演进中的String变化

6.1 JDK6及之前

  1. 字符串常量池位于方法区(永久代)

  2. substring共享原char数组

6.2 JDK7

  1. 字符串常量池移到堆内存

  2. substring不再共享数组，解决潜在内存泄漏

6.3 JDK8

  1. 引入String.join()方法

  2. 新增chars()和codePoints()方法

6.4 JDK9

  1. String内部存储改为byte[]+编码标记字段

  2. 紧凑字符串(Compact Strings)优化，Latin-1字符使用单字节存储

6.5 JDK11

  1. 新增isBlank()、lines()、repeat()等方法

  2. 新增strip()系列方法处理Unicode空白

七、String在实际开发中的应用

7.1 字符串缓存

利用String不可变性实现缓存：

java

public class StringCache {private static final Map<String, String> CACHE = new HashMap<>();public static String getCachedString(String input) {return CACHE.computeIfAbsent(input, String::new);}
}

7.2 字符串作为Map的Key

String是理想的Map键类型：

  1. 不可变性保证哈希值不变

  2. 实现了正确的equals和hashCode

  3. 有高效的比较性能

java

Map<String, Integer> wordCount = new HashMap<>();
wordCount.put("Java", wordCount.getOrDefault("Java", 0) + 1);

7.3 字符串与I/O操作

文件读写时的字符串处理：

java

// 读取文件内容为字符串
String content = new String(Files.readAllBytes(path), StandardCharsets.UTF_8);// 写入字符串到文件
Files.write(path, content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8));

7.4 字符串与网络通信

网络协议处理中的字符串应用：

java

// HTTP请求处理
String requestLine = "GET /index.html HTTP/1.1";
String[] parts = requestLine.split(" ");
String method = parts[0];
String path = parts[1];
String protocol = parts[2];

八、常见面试问题解析

8.1 String为什么设计为不可变？

  1. 安全性：防止意外修改，如网络连接、文件路径等

  2. 线程安全：无需同步即可在多线程中使用

  3. 缓存哈希：作为HashMap键时哈希值只需计算一次

  4. 字符串池：实现字符串常量池优化

  5. 类加载机制：类名等字符串需要稳定性

8.2 String、StringBuffer和StringBuilder的区别？

  1. 可变性：String不可变，后两者可变

  2. 线程安全：StringBuffer同步方法保证线程安全

  3. 性能：StringBuilder在单线程下性能最佳

  4. 使用场景：少量拼接用String，多线程用StringBuffer，单线程大量操作用StringBuilder

8.3 String的intern()方法有什么作用？

将字符串对象添加到字符串常量池(如果池中不存在)，并返回池中引用。可以用于减少重复字符串的内存占用，但需谨慎使用，因为：

  1. 常量池大小有限

  2. 不当使用可能增加GC负担

  3. JDK7后常量池位于堆内存，不再受永久代大小限制

8.4 如何高效拼接多个字符串？

  1. 少量拼接：直接使用+(编译器会优化为StringBuilder)

  2. 循环内拼接：显式使用StringBuilder

  3. JDK8+：使用String.join()或StringJoiner

  4. 大量数据：考虑使用字符流或直接操作char数组

8.5 String的hashCode()如何计算？

String的哈希计算采用多项式哈希：

java

// JDK中的实现
public int hashCode() {int h = hash;if (h == 0 && value.length > 0) {char val[] = value;for (int i = 0; i < value.length; i++) {h = 31 * h + val[i];}hash = h;}return h;
}

选择31的原因：

  • 奇质数，减少哈希冲突

  • 31 * i可以被优化为(i << 5) - i

  • 经验证明对英文字符分布效果良好

九、String的最佳实践

9.1 编码规范建议

  1. 字符串比较总是使用equals()而非==

  2. 优先使用字符串字面量而非new String()

  3. 拼接路径使用Path类而非字符串拼接

  4. 处理用户输入时显式指定字符编码

  5. 敏感信息(如密码)避免用String，使用char[]

9.2 性能优化建议

  1. 避免在循环中使用+拼接字符串

  2. 预编译频繁使用的正则表达式

  3. 考虑重用StringBuilder实例(需权衡线程安全)

  4. 大文本处理使用流式API

  5. 合理使用intern()但不要过度

9.3 安全性建议

  1. SQL查询使用PreparedStatement而非字符串拼接

  2. 处理HTML/XML时使用专用转义工具

  3. 日志输出前过滤敏感信息

  4. 比较敏感字符串(如密码)使用Arrays.equals(char[], char[])

  5. 注意Unicode欺骗攻击(如视觉相似字符)

十、String的未来发展

10.1 Valhalla项目的影响

Java Valhalla项目(值类型和内联类)可能带来的改变：

  1. 可能引入更高效不可变字符串实现

  2. 减少对象头开销

  3. 更好的内存局部性

10.2 字符串压缩技术

未来可能进一步优化字符串存储：

  1. 更智能的编码检测和转换

  2. 对特定领域(如DNA序列)的特殊优化

  3. 与硬件特性(如SIMD)结合的加速处理

10.3 多语言增强

改进对多语言文本的处理：

  1. 更好的emoji支持

  2. 更完善的正则表达式Unicode属性支持

  3. 更高效的国际化字符串处理

结语

String作为Java中最基础也最复杂的类之一，其设计理念和实现细节体现了Java语言的许多核心思想。深入理解String类不仅有助于编写高效、安全的Java代码，也是理解Java内存模型、不可变对象设计等高级主题的良好起点。随着Java语言的不断发展，String类也在持续优化和改进，但它的核心概念——不可变的Unicode字符序列——将始终保持不变。

http://www.xdnf.cn/news/5889.html

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