String对象的存储、拼接和比较 string对象存在哪里

bigegpt 2024-10-13 01:25 20 浏览

一、String类型介绍
二、String类型的存储
虚拟机运行时内存（JDK1.8以后）常量池String对象的创建
三、String类型的拼接
通过concat方法拼接通过+号拼接
四、字符串的比较
equals方法"=="运算符

( 以下源码都基于jdk11)

一、String类型介绍

String类型是引用数据类型，表示字符串类型。String底层使用byte[]数组来存储char[]数组。(JDK1.9及以后的版本，JDK1.9之前是使用char数组保存，1.9为了节省空间，开始使用byte数组保存)

@Stable
private final byte[] value;//定义byte数组用于存储构造函数传进的char数组，最下方的代码中有用到。
12

从上方的代码中可以看出，String用于保存数据的数组是private、final的，因此String类型是不可变的。

//String的构造函数
public String(char value[]) {  this(value, 0, value.length, null);//调用另一个构造函数，代码在下方     }
12

String(char[] value, int off, int len, Void sig) {
    if (len == 0) {
        this.value = "".value;
        this.coder = "".coder;
        return;
    }
    if (COMPACT_STRINGS) {
        byte[] val = StringUTF16.compress(value, off, len);
        if (val != null) {
            this.value = val;
            this.coder = LATIN1;
            return;
        }
    }
    this.coder = UTF16;
    this.value = StringUTF16.toBytes(value, off, len);
}
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二、String类型的存储

虚拟机运行时内存（JDK1.8以后）

JVM内存中与String类型存储相关的结构主要有堆和虚拟机栈。

常量池

常量池在java用于保存在编译期已确定的，已编译的class文件中的一份数据。它包括了关于类，方法，接口等中的常量，也包括字符串常量，如String s = "java"这种申明方式；当然也可扩充，执行器产生的常量也会放入常量池，故认为常量池是JVM的一块特殊的内存空间。

通过常量池的使用String实现了多个引用指向同一个常量池中的对象，大大的节省了内存空间的开销。
JDK1.8之后，常量池存放于JVM运行时内存中的堆内存中。

String对象的创建

主要有以下两种创建String对象的方式
1、String a="abcd";
使用这种创建方式时，若常量池中不存在"abcd"这个String对象，则会创建2个对象：在常量池中创建String类型的对象"abcd"，常量池位于上图所示的堆内存中、在栈中创建引用a保存"abcd"的内存地址，从而指向常量池中的"abcd"对象，栈既上图所示的虚拟机栈。

若常量池中已存在"abcd"对象，则会直接返回这个对象，只在栈中创建一个引用a指向该对象。

2、String a=new String("abcd");
使用这种创建方式时，若常量池中不存在值为"abcd"的String对象，则会先在常量池中创建一个值为“abcd”的String对象，然后将其复制一份到堆内存中（常量池外，堆内存中，地址不同），然后在栈中创建一个引用a保存"abcd"在堆中的地址，从而指向堆内存中的该对象。共创建了三个对象
若常量池重已存在对象“abcd”，则省去在常量池中创建对象的这一步，共创建两个对象。

三、String类型的拼接

通过concat方法拼接

String a="a";
String b="b";
System.out.println(a.concat(b));//通过a对象concat方法连接b对象，结果为"ab"
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下面来看看concat方法的源码

   public String concat(String str) {
        int olen = str.length();
        if (olen == 0) {
            return this;
        }
        if (coder() == str.coder()) {//coder来标识字符串的编码格式是LATIN1还是UTF16,若两个字符串的编码格式相等，则不用进行编码格式转换
            byte[] val = this.value;
            byte[] oval = str.value;
            int len = val.length + oval.length;//拼接后字符串的长度
            byte[] buf = Arrays.copyOf(val, len);//创建一个新数组存放拼接后的字符串
            System.arraycopy(oval, 0, buf, val.length, oval.length);
            return new String(buf, coder);
        }
        int len = length();
        byte[] buf = StringUTF16.newBytesFor(len + olen);
        getBytes(buf, 0, UTF16);
        str.getBytes(buf, len, UTF16);
        return new String(buf, UTF16);
    }
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从concat源码中容易得出，concat方法通过创建一个长度为两字符串长度之和的byte数组来存放两字符串，然后将两个字符串依次放入数组中，实现了字符串的拼接。
至于为什么使用byte数组，上面讲过，String类型底层使用byte数组存储char数组，因此concat使用byte数组来存储字符串，如果用其他类型的数组就要进行类型转换。
注意：concat方法并不会对原对象进行改变，而是会返回一个新的String对象。

通过+号拼接

通过+号的拼接主要分为两种情况：有字符串变量(既在栈中创建的引用)参与的拼接，无字符串变量参与，只有字符串常量(常量池中的String对象)参与的拼接。
有字符串变量(既在栈中创建的引用)参与的拼接：

在网上找了下有字符串变量参与+号拼接的实现原理，大部分说的都是：

运行时，两个字符串str1, str2的拼接首先会调用String.valueOf(obj)，这个Obj为str1，而String.valueOf(Obj)中的实现是return obj ==null ? “null” : obj.toString()。
然后产生StringBuilder，调用的StringBuilder(str1)构造方法，把StringBuilder初始化，长度为str1.length()+16，并且调用append(str1)！接下来调用StringBuilder.append(str2), 把第二个字符串拼接进去，然后调用StringBuilder.toString返回结果。

下面我就得从底层中看看它们是如何实现拼接的。
打以下代码：

public class Test{
   public static void main(String[] args){
        String str1 = "111111";
	String str2 = "222222";
	String str = str1 + str2;
	System.out.println(str);
   }
}
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然后进入dos界面，在dos界面中进入文件所在文件夹，使用javac Test.java命令生成字节码，再使用javap -verbose Test命令进行反编译，可以看到以下结果。(JDK1.9及以后的版本才能看到如下结果,JDK1.8及以前的可参考这篇博文:Java String + 拼接字符串原理)

容易看出以下两行代码，对应的是String str = str1 + str2;语句

8: invokedynamic #4,  0              // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
13: astore_3
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动态指令invokedynamic指令会调用makeConcatWithConstants方法进行字符串的连接。
该方法位于java.lang.invoke.StringConcatFactory类中。
下面是源码，容易看出这个方法里如果没出问题，是直接调用doStringConcat方法

public static CallSite makeConcatWithConstants(MethodHandles.Lookup lookup,
                                               String name,
                                               MethodType concatType,
                                               String recipe,
                                               Object... constants) throws StringConcatException {
    if (DEBUG) {
        System.out.println("StringConcatFactory " + STRATEGY + " is here for " + concatType + ", {" + recipe + "}, " + Arrays.toString(constants));
    }

    return doStringConcat(lookup, name, concatType, false, recipe, constants);
}
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下面是doStringConcat方法的部分源码，多的就省略了。可以看到返回值中，mh调用asType方法适配得到MethodHandle对象，返回值的逻辑就是单纯的返回一个结果，字符串拼接是在mh对象生成的时候进行的，也就是在generate方法中进行。

 private static CallSite doStringConcat(MethodHandles.Lookup lookup,
                                           String name,
                                           MethodType concatType,
                                           boolean generateRecipe,
                                           String recipe,
                                           Object... constants) throws StringConcatException {
......
MethodHandle mh;
if (CACHE_ENABLE) {
    Key key = new Key(className, mt, rec);
    mh = CACHE.get(key);
    if (mh == null) {
        mh = generate(lookup, className, mt, rec);
        CACHE.put(key, mh);
    }
} else {
    mh = generate(lookup, className, mt, rec);
}
return new ConstantCallSite(mh.asType(concatType));
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下面是generate方法的源码

private static MethodHandle generate(Lookup lookup, String className, MethodType mt, Recipe recipe) throws StringConcatException {
    try {
        switch (STRATEGY) {
            case BC_SB:
                return BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, Mode.DEFAULT);
            case BC_SB_SIZED:
                return BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, Mode.SIZED);
            case BC_SB_SIZED_EXACT:
                return BytecodeStringBuilderStrategy.generate(lookup, className, mt, recipe, Mode.SIZED_EXACT);
            case MH_SB_SIZED:
                return MethodHandleStringBuilderStrategy.generate(mt, recipe, Mode.SIZED);
            case MH_SB_SIZED_EXACT:
                return MethodHandleStringBuilderStrategy.generate(mt, recipe, Mode.SIZED_EXACT);
            case MH_INLINE_SIZED_EXACT:
                return MethodHandleInlineCopyStrategy.generate(mt, recipe);
            default:
                throw new StringConcatException("Concatenation strategy " + STRATEGY + " is not implemented");
        }
    } catch (Error | StringConcatException e) {
        // Pass through any error or existing StringConcatException
        throw e;
    } catch (Throwable t) {
        throw new StringConcatException("Generator failed", t);
    }
}
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generate方法通过不同的STRATEGY(策略)值来调用不同对象的generate方法。那么，接下来看看Strategy类型，对文档中的英文进行了一些简单的翻译。

 private enum Strategy {
        /**
         * 字节码生成器，调用{@link java.lang.StringBuilder}.
         */
        BC_SB,

        /**
         * 字节码生成器，调用 {@link java.lang.StringBuilder};
         * 但要估计所需的存储空间。
         */
        BC_SB_SIZED,

        /**
         * 字节码生成器，调用 {@link java.lang.StringBuilder};
         * 但需要精确地计算所需的存储空间。
         */
        BC_SB_SIZED_EXACT,

        /**
         *基于MethodHandle的生成器，最终调用 {@link java.lang.StringBuilder}.
         * 此策略还尝试估计所需的存储空间。
         */
        MH_SB_SIZED,

        /**
         * 基于MethodHandle的生成器，最终调用 {@link java.lang.StringBuilder}.
         * 此策略也需要准确地计算所需的存储空间。
         */
        MH_SB_SIZED_EXACT,

        /**
         * 基于MethodHandle的生成器, 基于MethodHandle的生成器，从参数构造自己的byte[]数组。它精确地计算所需的存储空间。
         */
        MH_INLINE_SIZED_EXACT
    }
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主要就是针对不同的情况，使用不同的策略值，共六种策略，从而能调用适用于当前情况的generate方法。上面五种策略的实现都是基于StringBuilder。
接下来以上面的BytecodeStringBuilderStrategy中的generate方法为例，来具体看一看是怎么实现字符串拼接的（套了一堆娃，终于到正题了）
首先，是调用String的ValueOf()方法

             if (mode.isExact()) {
/*在精确模式下，我们需要将所有参数转换为字符串表示，因为这允许精确计算它们的字符串大小。我们不能在这里使用私有的原语方法，因此我们也需要转换它们。

我们还记录了转换结果中保证为非null的参数。字符串.valueOf是否为我们检查空。唯一极端的情况是字符串.valueOf（对象）返回null本身。

此外，如果发生任何转换，则传入参数中的插槽索引不等于最终的本地映射。唯一可能会中断的情况是将2-slot long/double转换为1-slot时。因此，我们可以跟踪修改过的偏移，因为没有转换可以覆盖即将到来的参数。
*/
                int off = 0;
                int modOff = 0;
                for (int c = 0; c < arr.length; c++) {
                    Class<?> cl = arr[c];
                    if (cl == String.class) {
                        if (off != modOff) {
                            mv.visitIntInsn(getLoadOpcode(cl), off);
                            mv.visitIntInsn(ASTORE, modOff);
                        }
                    } else {
                        mv.visitIntInsn(getLoadOpcode(cl), off);
                        mv.visitMethodInsn(
                                INVOKESTATIC,
                                "java/lang/String",
                                "valueOf",
                                getStringValueOfDesc(cl),
                                false
                        );
                        mv.visitIntInsn(ASTORE, modOff);
                        arr[c] = String.class;
                        guaranteedNonNull[c] = cl.isPrimitive();
                    }
                    off += getParameterSize(cl);
                    modOff += getParameterSize(String.class);
                }
            }

            if (mode.isSized()) {
            /*在调整大小模式（包括精确模式）下操作时，让StringBuilder附加链看起来熟悉优化StringConcat是有意义的。为此，我们需要尽早进行空检查，而不是使附加链形状更简单。*/

                int off = 0;
                for (RecipeElement el : recipe.getElements()) {
                    switch (el.getTag()) {
                        case TAG_CONST:
                            // Guaranteed non-null, no null check required.
                            break;
                        case TAG_ARG:
                            // Null-checks are needed only for String arguments, and when a previous stage
                            // did not do implicit null-checks. If a String is null, we eagerly replace it
                            // with "null" constant. Note, we omit Objects here, because we don't call
                            // .length() on them down below.
                            int ac = el.getArgPos();
                            Class<?> cl = arr[ac];
                            if (cl == String.class && !guaranteedNonNull[ac]) {
                                Label l0 = new Label();
                                mv.visitIntInsn(ALOAD, off);
                                mv.visitJumpInsn(IFNONNULL, l0);
                                mv.visitLdcInsn("null");
                                mv.visitIntInsn(ASTORE, off);
                                mv.visitLabel(l0);
                            }
                            off += getParameterSize(cl);
                            break;
                        default:
                            throw new StringConcatException("Unhandled tag: " + el.getTag());
                    }
                }
            }
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然后是生成StringBuilder对象并使用append方法依次将字符串加入

// 准备StringBuilder实例
mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/StringBuilder");
mv.visitInsn(DUP);

if (mode.isSized()) {
 /*大小模式要求我们遍历参数，并估计最终长度。
   在精确模式下，这将仅在字符串上操作。此代码将在堆栈上累积最终长度。*/
    int len = 0;
    int off = 0;

    mv.visitInsn(ICONST_0);

    for (RecipeElement el : recipe.getElements()) {
        switch (el.getTag()) {
            case TAG_CONST:
                len += el.getValue().length();
                break;
            case TAG_ARG:
                /*
                   如果一个参数是String，那么我们可以对它调用.length（）。大小/精确模式为我们转换了参数。
                   如果一个参数是原始的，我们可以猜测它的字符串表示大小。
                */
                Class<?> cl = arr[el.getArgPos()];
                if (cl == String.class) {
                    mv.visitIntInsn(ALOAD, off);
                    mv.visitMethodInsn(
                            INVOKEVIRTUAL,
                            "java/lang/String",
                            "length",
                            "()",
                            false
                    );
                    mv.visitInsn(IADD);
                } else if (cl.isPrimitive()) {
                    len += estimateSize(cl);
                }
                off += getParameterSize(cl);
                break;
            default:
                throw new StringConcatException("Unhandled tag: " + el.getTag());
        }
    }

    // 常数具有非零长度，混合
    if (len > 0) {
        iconst(mv, len);
        mv.visitInsn(IADD);
    }

    mv.visitMethodInsn(
            INVOKESPECIAL,
            "java/lang/StringBuilder",
            "<init>",
            "(I)V",
            false
    );
} else {
    mv.visitMethodInsn(
            INVOKESPECIAL,
            "java/lang/StringBuilder",
            "<init>",
            "()V",
            false
    );
}

// 此时，堆栈上有一个空的StringBuilder，用.append调用填充它。
{
    int off = 0;
    for (RecipeElement el : recipe.getElements()) {
        String desc;
        switch (el.getTag()) {
            case TAG_CONST:
                mv.visitLdcInsn(el.getValue());
                desc = getSBAppendDesc(String.class);
                break;
            case TAG_ARG:
                Class<?> cl = arr[el.getArgPos()];
                mv.visitVarInsn(getLoadOpcode(cl), off);
                off += getParameterSize(cl);
                desc = getSBAppendDesc(cl);
                break;
            default:
                throw new StringConcatException("Unhandled tag: " + el.getTag());
        }

        mv.visitMethodInsn(//调用append方法
                INVOKEVIRTUAL,
                "java/lang/StringBuilder",
                "append",
                desc,
                false
        );
    }
}
            if (DEBUG && mode.isExact()) {
                /*
                    Exactness checks compare the final StringBuilder.capacity() with a resulting
                    String.length(). If these values disagree, that means StringBuilder had to perform
                    storage trimming, which defeats the purpose of exact strategies.
                 */

                /*
                   The logic for this check is as follows:

                     Stack before:     Op:
                      (SB)              dup, dup
                      (SB, SB, SB)      capacity()
                      (int, SB, SB)     swap
                      (SB, int, SB)     toString()
                      (S, int, SB)      length()
                      (int, int, SB)    if_icmpeq
                      (SB)              <end>

                   Note that it leaves the same StringBuilder on exit, like the one on enter.
                 */

                mv.visitInsn(DUP);
                mv.visitInsn(DUP);

                mv.visitMethodInsn(
                        INVOKEVIRTUAL,
                        "java/lang/StringBuilder",
                        "capacity",
                        "()I",
                        false
                );

                mv.visitInsn(SWAP);

                mv.visitMethodInsn(
                        INVOKEVIRTUAL,
                        "java/lang/StringBuilder",
                        "toString",
                        "()Ljava/lang/String;",
                        false
                );

                mv.visitMethodInsn(
                        INVOKEVIRTUAL,
                        "java/lang/String",
                        "length",
                        "()I",
                        false
                );

                Label l0 = new Label();
                mv.visitJumpInsn(IF_ICMPEQ, l0);

                mv.visitTypeInsn(NEW, "java/lang/AssertionError");
                mv.visitInsn(DUP);
                mv.visitLdcInsn("Failed exactness check");
                mv.visitMethodInsn(INVOKESPECIAL,
                        "java/lang/AssertionError",
                        "<init>",
                        "(Ljava/lang/Object;)V",
                        false);
                mv.visitInsn(ATHROW);

                mv.visitLabel(l0);
            }
123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161

下面是该方法中末尾的几行代码，主要就是调用StringBuilder的toString()方法并返回该方法得到的对象。

mv.visitMethodInsn(//调用StringBuilder的toString()方法
        INVOKEVIRTUAL,
        "java/lang/StringBuilder",
        "toString",
        "()Ljava/lang/String;",
        false
);

mv.visitInsn(ARETURN);

mv.visitMaxs(-1, -1);
mv.visitEnd();
cw.visitEnd();

byte[] classBytes = cw.toByteArray();
try {
    Class<?> hostClass = lookup.lookupClass();
    Class<?> innerClass = UNSAFE.defineAnonymousClass(hostClass, classBytes, null);
    UNSAFE.ensureClassInitialized(innerClass);
    dumpIfEnabled(innerClass.getName(), classBytes);
    return Lookup.IMPL_LOOKUP.findStatic(innerClass, METHOD_NAME, args);
} catch (Exception e) {
    dumpIfEnabled(className + "$FAILED", classBytes);
    throw new StringConcatException("Exception while spinning the class", e);
}
12345678910111213141516171819202122232425

所以，总结一下，有字符串变量参与拼接的过程：首先调用String的ValueOf方法，然后是生成一个StringBuilder对象并将用append方法将两个字符串依次加入，然后返回StringBuilder的toString()方法。

只有字符串常量(常量池中的String对象)参与的拼接：例如：String a=“ab”+cd;这种拼接，在编译时，编译器会自动将a变量编译为"abcd"
例如以下代码：
public class Test2{
public static void main(String[] args){
String str = “12”+“34”;
System.out.println(str);
}
}
用上述的方法同样查看反编译代码

可以看到编译器直接将str字符串编译为了”1234“.

四、字符串的比较

equals方法

String类型的对象有个equals方法，用于比较两个String对象的值是否相等。

public boolean equals(Object anObject) {
    if (this == anObject) {
        return true;
    }
    if (anObject instanceof String) {
        String aString = (String)anObject;
        if (coder() == aString.coder()) {//判断编码格式是否相等
            return isLatin1() ? StringLatin1.equals(value, aString.value)
                              : StringUTF16.equals(value, aString.value);
                              //根据编码格式调用不同的equals方法
        }
    }
    return false;
}
1234567891011121314

下面是StringLatin1对象(以Latin1为编码格式的String对象)的equals方法

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static boolean equals(byte[] value, byte[] other) {
    if (value.length == other.length) {
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            if (value[i] != other[i]) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    return false;
}
123456789101112

然后是StringUTF16对象的equals方法

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static boolean equals(byte[] value, byte[] other) {
    if (value.length == other.length) {
        int len = value.length >> 1;
        for (int i = 0; i < len; i++) {
            if (getChar(value, i) != getChar(other, i)) {
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
    return false;
}
12345678910111213

可以看出equals方法的实现逻辑就是通过for循环遍历保存字符串的byte数组，一位一位地进行判断。

"=="运算符

“==”运算符用于比较两个对象的地址是否相等。用在字符串比较时，需要注意"abcd"与new String(“abcd”)所返回的地址值不相同，具体看上方String对象的创建。

注意：上面我们具体分析了有字符串变量参与的连接预算，最后的对象是由StringBuilder的toString()方法返回的，而toString()方法底层是返回的是new String()对象，存储的地址是在堆中，而不是在常量池中。

@Override
@HotSpotIntrinsicCandidate
public String toString() {//StringBuilder对象的toString方法
    // Create a copy, don't share the array
    return isLatin1() ? StringLatin1.newString(value, 0, count)
                      : StringUTF16.newString(value, 0, count);
}
1234567

//StringLatin1对象的newString方法
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
    return new String(Arrays.copyOfRange(val, index, index + len),
                      LATIN1);
}
12345

//StringUTF16的toString方法
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
    if (String.COMPACT_STRINGS) {
        byte[] buf = compress(val, index, len);
        if (buf != null) {
            return new String(buf, LATIN1);
        }
    }
    int last = index + len;
    return new String(Arrays.copyOfRange(val, index << 1, last << 1), UTF16);
}

c++string长度

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String对象的存储、拼接和比较 string对象存在哪里

一、String类型介绍

二、String类型的存储

虚拟机运行时内存（JDK1.8以后）

常量池

String对象的创建

三、String类型的拼接

通过concat方法拼接

通过+号拼接

四、字符串的比较

equals方法

"=="运算符

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