编辑“︁Java字符串不可变性”︁

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'''Java字符串不可变性'''是Java语言中一个核心概念，指一旦创建了字符串对象，其内容就不可被修改。所有看似修改字符串的操作（如拼接、替换）实际上都会创建新的字符串对象。这一特性对内存管理、线程安全和性能优化有重要影响。

== 基本概念 ==

=== 不可变性的定义 ===
在Java中，{{code|String}}类被设计为不可变类（immutable class），这意味着：
* 字符串对象创建后，其字符序列无法被改变
* 所有修改操作都返回新对象而非修改原对象
* 字符串内容由私有{{code|final char[]}}数组存储（Java 9后改为{{code|byte[]}}）

=== 底层实现 ===
Java字符串的不可变性通过以下机制保证：
<syntaxhighlight lang="java">
public final class String {
    private final byte[] value; // Java 9+使用紧凑存储
    private final int coder;    // 编码标记(LATIN1/UTF16)
    // 其他字段...
}
</syntaxhighlight>

== 代码示例 ==

=== 基础示例 ===
<syntaxhighlight lang="java">
String s1 = "Hello";
String s2 = s1.concat(" World"); // 不改变s1，返回新对象

System.out.println(s1); // 输出: Hello
System.out.println(s2); // 输出: Hello World
</syntaxhighlight>

=== 内存变化演示 ===
<mermaid>
sequenceDiagram
    participant 栈
    participant 堆
    栈->>堆: s1 = "Hello" (创建String对象)
    栈->>堆: s2 = s1.concat(" World") (创建新String对象)
    Note right of 堆: 原"Hello"对象保持不变
</mermaid>

== 实际应用场景 ==

=== 线程安全 ===
由于字符串不可变，它们天然是线程安全的：
<syntaxhighlight lang="java">
// 多线程环境下安全共享
public static final String CONSTANT = "全局常量";
</syntaxhighlight>

=== 哈希缓存 ===
字符串常用作HashMap的键，其不可变性保证了哈希值的稳定性：
<syntaxhighlight lang="java">
String key = "user_1001";
int hashCode = key.hashCode(); // 哈希值被缓存
</syntaxhighlight>

=== 安全敏感场景 ===
<syntaxhighlight lang="java">
// 密码等敏感信息应使用char[]而非String
char[] password = {'s','e','c','r','e','t'};
// 使用后可显式清除数组内容
Arrays.fill(password, '\0');
</syntaxhighlight>

== 性能影响 ==

=== 字符串拼接 ===
频繁拼接应使用{{code|StringBuilder}}：
<syntaxhighlight lang="java">
// 低效方式（产生多个中间对象）
String result = "";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    result += i; // 每次循环创建新String
}

// 高效方式
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    sb.append(i);
}
String optimizedResult = sb.toString();
</syntaxhighlight>

=== 字符串池机制 ===
Java通过字符串池(String Pool)优化内存使用：
<syntaxhighlight lang="java">
String a = "literal";    // 使用字符串池
String b = "literal";    // 复用同一对象
String c = new String("literal"); // 强制创建新对象

System.out.println(a == b); // true (同一对象)
System.out.println(a == c); // false (不同对象)
</syntaxhighlight>

== 数学表示 ==
字符串操作可表示为函数式转换：
<math>
f: S \rightarrow S' \quad \text{其中} \quad S' \neq S
</math>
每个操作都产生新字符串而非修改原字符串。

== 常见误区 ==

* '''误区1'''：认为{{code|String}}的方法会修改原对象
<syntaxhighlight lang="java">
String s = "foo";
s.toUpperCase(); // 无效！必须接收返回值
String upper = s.toUpperCase(); // 正确用法
</syntaxhighlight>

* '''误区2'''：忽视不可变性带来的内存开销
* '''误区3'''：混淆{{code|==}}和{{code|equals()}}的比较

== 最佳实践 ==

1. 优先使用字符串字面量而非{{code|new String}}
2. 大量字符串操作使用{{code|StringBuilder}}
3. 敏感数据使用{{code|char[]}}而非{{code|String}}
4. 利用{{code|intern()}}方法优化内存（谨慎使用）

== 扩展知识 ==

=== Java 9+的改进 ===
从Java 9开始，字符串改用{{code|byte[]}}存储并引入编码标记，减少内存占用：
* LATIN1编码：每个字符1字节
* UTF-16编码：每个字符2字节

=== 不可变类的设计模式 ===
设计自己的不可变类时可参考{{code|String}}的实现：
1. 类声明为{{code|final}}
2. 字段设为{{code|private final}}
3. 不提供setter方法
4. 返回可变对象时进行防御性拷贝

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