String 既然能做性能调优，我直呼内行

Posted 2022-01-11 MageByte

码哥，String 还能优化啥？你是不是框我？

莫慌，今天给大家见识一下不一样的 String，从根上拿捏直达 G 点。 并且码哥分享一个例子：通过性能调优我们能实现百兆内存轻松存储几十 G 数据。 ​​String​​对象是我们每天都「摸」的对象类型，但是她的性能问题我们却总是忽略。爱她，不能只会简单一起玩耍，要深入了解​

​String​​ 的内心深处，做一个「心有猛虎，细嗅蔷薇」的暖男。通过以下几点分析，我们一步步揭开她的衣裳，直达内心深处，提升一个 Level，让 ​

​String​​ 直接起飞：

1. 字符串对象的特性；
2. String 的不可变性；
3. 大字符串构建技巧；
4. String.intern 节省内存；
5. 字符串分割技巧；

String 身体解密

想要深入了解，就先从基本组成开始…… 「String 缔造者」对 ​​String​​ 对象做了大量优化来节省内存，从而提升 String 的性能：

Java 6 及之前

数据存储在 ​​char[]​​数组中，​​String​​通过 ​​offset​​ 和 ​​count​​两个属性定位 ​​char[]​​ 数据获取字符串。 这样可以高效快速的定位并共享数组对象，并且节省内存，但是有可能导致内存泄漏。

共享 char 数组为啥可能会导致内存泄漏呢？

String(int offset, int count, char value[]) 
    this.value = value;
    this.offset = offset;
    this.count = count;


public String substring(int beginIndex, int endIndex) 
    //check boundary
    return  new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);

调用 ​​substring()​​ 的时候虽然创建了新的字符串，但字符串的值 ​​value​​ 仍然指向的是内存中的同一个数组，如下图所示：

如果我们仅仅是用 ​​substring​​ 获取一小段字符，而原始 ​​string​​字符串非常大的情况下，substring 的对象如果一直被引用。此时 ​

​String​​ 字符串也无法回收，从而导致内存泄露。 如果有大量这种通过 substring 获取超大字符串中一小段字符串的操作，会因为内存泄露而导致内存溢出。

JDK7、8

去掉了 ​​offset​​ 和 ​​count​​两个变量，减少了 String 对象占用的内存。 substring 源码：

public String(char value[], int offset, int count) 
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset + count);


public String substring(int beginIndex, int endIndex) 
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    return new String(value, beginIndex, subLen);

​​substring()​​ 通过 ​​new String()​​ 返回了一个新的字符串对象，在创建新的对象时通过 ​​Arrays.copyOfRange()​​ 深度拷贝了一个新的字符数组。 如下图所示：

String.substring 方法不再共享 ​​char[]​​​数组的数据，解决了可能内存泄漏的问题。

Java 9

将 ​​char[]​​字段改为 ​​byte[]​​，新增 ​​coder​​属性。

码哥，为什么这么改呢？

一个 char 字符占 2 个字节，16 位。存储单字节编码内的字符（占一个字节的字符）就显得非常浪费。 为了节约内存空间，于是使用了 1 个字节占 8 位的 byte 数组来存放字符串。 勤俭节约的女神，谁不爱…… 新属性 coder 的作用是：在计算字符串长度或者使用 ​​indexOf（）​​方法时，我们需要根据编码类型来计算字符串长度。 coder 的值分别表示不同编码类型：

• 0：表示使用 ​​Latin-1​​ （单字节编码）；
• 1：使用​​UTF-16​​。

String 的不可变性

了解了​​String​​ 的基本组成之后，发现 String 还有一个比外在更性感的特性，她被 ​​final​​关键字修饰，char 数组也是。

我们知道类被 final 修饰代表该类不可继承，而 ​​char[]​​被 ​​final+private​​ 修饰，代表了 ​​String​​ 对象不可被更改。

String 对象一旦创建成功，就不能再对它进行改变。

final 修饰的好处

安全性

当你在调用其他方法时，比如调用一些系统级操作指令之前，可能会有一系列校验。 如果是可变类的话，可能在你校验过后，它的内部的值又被改变了，这样有可能会引起严重的系统崩溃问题。

高性能缓存

​​String​​不可变之后就能保证 ​​hash​​值得唯一性，使得类似 ​​HashMap​​容器才能实现相应的 ​​key-value​​ 缓存功能。

实现字符串常量池

由于不可变，才得以实现字符串常量池。 字符串常量池指的是在创建字符串的时候，先去「常量池」查找是否创建过该「字符串」； 如果有，则不会开辟新空间创建字符串，而是直接把常量池中该字符串的引用返回给此对象。 创建字符串的两种方式：

• String str1 = “码哥字节”;
• String str2 = new String(“码哥字节”);

当代码中使用第一种方式创建字符串对象时，JVM 首先会检查该对象是否在字符串常量池中，如果在，就返回该对象引用。 否则新的字符串将在常量池中被创建，并返回该引用。 这样可以减少同一个值的字符串对象的重复创建，节约内存。 第二种方式创建，在编译类文件时，"码哥字节" 字符串将会放入到常量结构中，在类加载时，“码哥字节" 将会在常量池中创建； 在调用 new 时，JVM 命令将会调用 String 的构造函数，在堆内存中创建一个 String 对象，同时该对象指向「常量池」中的“码哥字节”字符串，str 指向刚刚在堆上创建的 String 对象； 如下图：

什么是对象和对象引用呀？

str 属于方法栈的字面量，它指向堆中的 String 对象，并不是对象本。

对象在内存中是一块内存地址，str 则是指向这个内存地址的引用。

也就是说 str 并不是对象，而只是一个对象引用。

码哥，字符串的不可变到底指的是什么呀？

String str = "Java";
str = "Java,yyds"

第一次赋值 「Java」，第二次赋值「Java,yyds」，str 值确实改变了，为什么我还说 String 对象不可变呢？

这是因为 str 只是 String 对象的引用，并不是对象本身。

真正的对象依然还在内存中，没有被改变。

优化实战

了解了 String 的对象实现原理和特性，是时候要深入女神内心，结合实际场景，如何更上一层楼优化 String 对象的使用。

大字符串如何构建

既然 String 对象是不可变，所以我们在频繁拼接字符串的时候是否意味着创建多个对象呢？

String str = "癞蛤蟆撩青蛙" + "长的丑" + "玩的花";

是不是以为先生成「癞蛤蟆撩青蛙」对象，再生成「癞蛤蟆撩青蛙长的丑」对象，最后生成「癞蛤蟆撩青蛙长得丑玩的花」对象。

实际运行中，只有一个对象生成。

这是为什么呢？

虽然代码写的丑陋，但是编译器自动优化了代码。 再看下面例子：

String str = "小青蛙";

for(int i=0; i<1000; i++) 
     str += i;

上面的代码编译后，你可以看到编译器同样对这段代码进行了优化。 Java 在进行字符串的拼接时，偏向使用 StringBuilder，这样可以提高程序的效率。

String str = "小青蛙";

for(int i=0; i<1000; i++) 
            str = (new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();

即使如此，还是循环内重复创建 ​​StringBuilder​​对象。

敲黑板所以做字符串拼接的时候，我建议你还是要显示地使用 String Builder 来提升系统性能。如果在多线程编程中，String 对象的拼接涉及到线程安全，你可以使用 StringBuffer。

运用 intern 节省内存

直接看​​intern()​​ 方法的定义与源码：

​​intern()​​ 是一个本地方法，它的定义中说的是，当调用 ​​intern​​ 方法时，如果字符串常量池中已经包含此字符串，则直接返回此字符串的引用。 否则将此字符串添加到常量池中，并返回字符串的引用。 如果不包含此字符串，先将字符串添加到常量池中，再返回此对象的引用。

什么情况下适合使用 ​​intern()​​ 方法？

Twitter 工程师曾分享过一个 ​​String.intern()​​ 的使用示例，Twitter 每次发布消息状态的时候，都会产生一个地址信息，以当时 Twitter 用户的规模预估，服务器需要 20G 的内存来存储地址信息。

public class Location 
    private String city;
    private String region;
    private String countryCode;
    private double longitude;
    private double latitude;

考虑到其中有很多用户在地址信息上是有重合的，比如，国家、省份、城市等，这时就可以将这部分信息单独列出一个类，以减少重复，代码如下：

public class SharedLocation 

  private String city;
  private String region;
  private String countryCode;


public class Location 

  private SharedLocation sharedLocation;
  double longitude;
  double latitude;

通过优化，数据存储大小减到了 20G 左右。 但对于内存存储这个数据来说，依然很大，怎么办呢？ Twitter 工程师使用 ​​String.intern()​​ 使重复性非常高的地址信息存储大小从 20G 降到几百兆，从而优化了 String 对象的存储。 核心代码如下：

SharedLocation sharedLocation = new SharedLocation();
sharedLocation.setCity(messageInfo.getCity().intern());
sharedLocation.setCountryCode(messageInfo.getRegion().intern());
sharedLocation.setRegion(messageInfo.getCountryCode().intern());

弄个简单例子方便理解：

String a =new String("abc").intern();
String b = new String("abc").intern();

System.out.print(a==b);

输出结果：​​true​​。 在加载类的时候会在常量池中创建一个字符串对象，内容是「abc」。 创建局部 a 变量时，调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象，String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。 在调用 intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用。 创建 b 变量时，调用 new Sting() 会在堆内存中创建一个 String 对象，String 对象中的 char 数组将会引用常量池中字符串。 在调用 intern 方法之后，会去常量池中查找是否有等于该字符串对象的引用，有就返回引用给局部变量。

而刚在堆内存中的两个对象，由于没有引用指向它，将会被垃圾回收。

所以 a 和 b 引用的是同一个对象。

字符串分割有妙招

Split() 方法使用了正则表达式实现了其强大的分割功能，而正则表达式的性能是非常不稳定的。 使用不恰当会引起回溯问题，很可能导致 CPU 居高不下。

Java 正则表达式使用的引擎实现是 NFA（Non deterministic Finite Automaton，确定型有穷自动机）自动机，这种正则表达式引擎在进行字符匹配时会发生回溯（backtracking），而一旦发生回溯，那其消耗的时间就会变得很长，有可能是几分钟，也有可能是几个小时，时间长短取决于回溯的次数和复杂度。

所以我们应该慎重使用 ​​Split()​​ 方法，我们可以用​​String.indexOf()​​方法代替 ​好朋友离职了，一周面试了20多场，我直呼内行

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