淺析String不可變性

在所有編程語言領域，我想字元串應該是地球上最常用的表達手段了吧。

在java的世界里，String是作為類出現的，核心的一個域就是一個char數組，內部就是通過維護一個不可變的char數組，來向外部輸出的。

這是jdk一段String類定義，首先類是final，表明類不可被繼承；核心域是private final的，final表明這個引用所指向的記憶體地址不會改變，但這還不足說明value[]是不可變的；因為引用所指向的記憶體的值有可能發生變化，但是jdk是不會讓這樣的事情發生的。private 保證這個域對外部來說是不可見的，這還不夠，對value還要進行 保護性拷貝 。

舉一個簡單的例子：

這是一個String的構造函數，參數是一個char數組引用，它並沒有把這個數組引用直接賦值給實例對象的value成員變數，而是通過一個Arrays.copyOf的方式拷貝一個數組再給到對象的成員變數。為什麼呢？假設它這裡是直接一個賦值，那String的不可變性就徹底被破壞了，因為如此一來，存在一個外部引用與實例對象value引用指向相同的記憶體地址，通過外部引用就可以改變這個char數組對象，最終導致的結果就是String不再不可變。幸好JDK中所有的對value的操作都是保護性拷貝操作，不管是被賦值，還是賦值給其它外部引用。

說了這麼多，為什麼JAVA要String保持一個不可變的狀態呢？原因其實很簡單，因為String太太太太常用了，地球上沒有能比這個更常用的對象了，設計成不可變的，是為了減少大量的同步鎖的開銷。但是要註意 並不是聲明成final的類一定是不可變的 。

根據effective java一書中提到，類不變需遵循五條規則：

1.不提供任何機會修改對象狀態的方法

2.保證類不被擴展

3.所有域都是final

4.所有域都是私有的

5.確保對於任何可變組件的互斥訪問

有興趣的同學可以參考 effective 第十五條，這裡就不展開講了。作了那麼久的鋪墊，接下來可以談談avoid getfield opcode了，按翻譯來說就是防止"調用訪問域的操作碼"，這段tip來自一段註釋。

十分常用的replace方法，內部演算法大概是這樣一個過程:先找到第一個oldChar的下標i,拷貝小標i之前的舊數組的內容到新的數組，新數組［i］='newChar',遍歷i之後的內容，若舊數組出現為oldChar則在新數組中替換為newChar,若沒有出現，則拷貝舊值到新數組。

起初我很奇怪，到底為什麼，一定要找到第一個出現oldChar的下標，為什麼不直接遍曆數組中每一個char 若為舊值，替換為新值。我從時間複雜度，空間複雜度去考慮這個演算法，始終沒有得到結果。我還是太年輕啊，後來才發覺其實還是為了維護一個String的設計原則："對於擁有相同的字元字面量的情況下，String的構造還是優先返回原字元串對象"。這麼做應該是為瞭解決堆記憶體吧。

那麼，這一句註釋到底是什麼意思呢？要理解這句話，需要對JVM有一定的瞭解。

JVM在運行中的數據區，分為五個部分：方法區，堆區，虛擬機棧，本地方法棧，程式計數器。

首先類相關的信息肯定是放在方法區的，堆中放一些實例對象，程式計數器始終指向下一條將要執行的指令，虛擬機棧和本地方法棧分別是用來於普通方法和本地方法的。

著重說一下虛擬機棧，它是線程私有的，描述的是java方法執行的記憶體模型：每個方法在執行的同時創建一個棧幀，用於存放局部變數表，操作數棧，方法入口，動態鏈接等。

 局部變數表用來存放一些基本數據類，和引用。操作數棧的話，是用來作運算用的，打個比方

int a=1;
int b =2;
int c =a+b;

JVM會先把a,b的值壓入到操作數棧保存起來，等到程式計數器執行加法指令的時候，再把a,b從棧中pop出來。重點就在於a,b值是從哪裡壓入到棧中的，如果沒有那麼接下來要遍歷的就是value數組了，value毫無疑問是堆中的數據，也就是每一次遍歷會經歷，數據由堆中取出，進入棧幀，再由棧幀壓入到操作數棧，最後pop出來進行運算。

如果執行了上述代碼，情況就大不相同了，val就是一個局部變數，它會被存放在局部變數表中，接來下的運算，就是局部變數表到操作數棧了，屬於一個棧幀內的數據轉移。JVM為了避免頻繁進行堆棧數據轉移，將值複製到本地變數一次，以避免在接下來的幾行中迴圈的每一次迭代，從堆中多次取下的欄位值。

除了我提到的這些，String源碼中還有許多值得學習的演算法，設計方式，代碼優化，比如，還有常量池的實現。

最後我想求教一個問題啊，在JDK7點版本中，String引入了一段靜態代碼塊，

我甚是不解啊，不知道有沒有大神幫我解讀一下這段代碼的含義？