Java 中的 String 为什么是不可变的

在 Java 中，String 类是不可变的，即 String 中的对象是不可变的。

区别对象和对象的引用

对于 Java 初学者，对于 String 是不可变对象总是存有疑惑。例如如下代码：

String s = "ABCabc";
System.out.println("s = " + s);

s = "123456";
System.out.println("s = " + s);

打印出的结果为：

1 2	s = ABCabc s = 123456

首先创建一个 String 对象 s，然后让 s 的值为“ABCabc”，然后又让 s 的值为“123456”。从打印结果可以看出，s 的值确实改变了，那么为什么说 String 对象是不可变的呢？其实这里存在一个误区：s 只是一个 String 对象的引用，并不是对象本身。对象在内存中是一块内存区，成员变量越多，这块内存区占的空间越大。引用只是一个 4 字节的数据，里面存放了它所指向的对象的地址，通过这个地址可以访问对象。

也就是说，s 只是一个引用，它指向了一个具体的对象，当s=“123456”;这句代码执行过之后，又创建了一个新的对象“123456”，而引用 s 重新指向了这个新的对象，原来的对象“ABCabc”还在内存中存在，并没有改变。内存结构如下图所示：

String 真实的内存结构

不可变类

如果一个对象，在它创建完成之后，不能再改变它的状态，那么这个对象就是不可变的。即不能改变对象内的成员变量，包括基本数据类型的值不能改变，引用类型的变量不能再指向其它的对象，引用类型指向的对象的状态也不能改变。

《Effective Java》中第 15 条使可变性最小化中对不可变类的解释：

不可变类只是其实例不能被修改的类。每个实例中包含的所有信息都必须在创建该实例的时候就提供，并且在对象的整个生命周期内固定不变。为了使类不可变，要遵循下面五条规则：

不要提供任何会修改对象状态的方法。

保证类不会被扩展。一般的做法是让这个类称为final的，防止子类化，破坏该类的不可变行为。

使所有的域都是final的。

使所有的域都成为私有的。防止客户端获得访问被域引用的可变对象的权限，并防止客户端直接修改这些对象。

确保对于任何可变性组件的互斥访问。如果类具有指向可变对象的域，则必须确保该类的客户端无法获得指向这些对象的引用。

在 Java 平台类库中，包含许多不可变类，例如String, 基本类型的包装类，BigInteger, BigDecimal等等。综上所述，不可变类具有一些显著的通用特征：类本身是final修饰的；所有的域几乎都是私有final的；不会对外暴露可以修改对象属性的方法。通过查阅 String 的源码，可以清晰的看到这些特征。

源码

通过查看 Java 中 String 的源码，如下所示：

public final class String implements Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    @Stable
    private final byte[] value;
}

首先，String 类是通过final修饰的，满足了第二条的：类不能被拓展。

其次，在类中，最重要的一条private final byte[] value;中，我们可以看到 Java 是使用字节数组（Java9，之前的版本是采用字符 char 数组实现）来实现字符串的，并且使用了final修饰，这就是 String 为什么不可变的原因。

因为它使用了private final，导致正常情况下外界没有办法去修改它的值。这满足了第三条：使所有的域都是final的，和第四条：使所有的域都是私有的。然而仅仅这样也仍然不是万无一失的。

第一条原则是：不要提供任何会修改对象状态的方法。String 类在这点中做得很好。在 String 类中许多会对字符串进行操作的方法中，例如replaceAll()或者substring()等，其中的每一步实现都不会对value产生任何影响。即 String 类中并没有提供任何可以改变其值的方法，这比final更能确保其是不变的。

好处

《Effective Java》一书中总结了不可变类的特点：

不可变类比较简单。
不可变对象本质上是线程安全的，它们不要求同步。不可变对象可以被自由地共享。
不仅可以共享不可变对象，甚至可以共享它们的内部信息。
不可变对象为其他对象提供了大量的构建。
不可变类真正唯一的缺点是，对于每个不同的值都需要一个单独的对象。

String 真的不可变吗

其实可以通过反射机制来破坏 String 的不可变性。可以反射出 String 对象中的 value 属性，进而改变通过获得的 value 引用改变数组的结构。

public static void testReflection() throws Exception {

    // 创建字符串"Hello World"， 并赋给引用 s
    String s = "Hello World";

    System.out.println("s = " + s);	// Hello World

    // 获取 String 类中的 value 字段
    Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");

    // 改变 value 属性的访问权限
    valueFieldOfString.setAccessible(true);

    // 获取 s 对象上的 value 属性的值
    char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);

    // 改变 value 所引用的数组中的第 5 个字符
    value[5] = '_';

    System.out.println("s = " + s);  // 变成 Hello_World
}