震惊，99.9% 的同学没有真正理解字符串的不可变性

Posted 2022-09-21 明明如月学长

一、你以为的常识

1.1 不可变性的理解

稍有些基础的同学都知道 Java 中 String 字符串是“不可变”的，想要使用“可变字符串”可以使用 StringBuilder 和 StringBuffer 。

大多数讲字符串不可变性的文章大同小异。

不可变的定义：

An immutable object is an object whose internal state remains constant after it has been entirely created. This means that once the object has been assigned to a variable, we can neither update the reference nor mutate the internal state by any means.
– 《Why String is Immutable in Java?》
所谓不可变对象，即对象创建之后内部状态保持不变。换句话说，一旦对象被赋值给一个变量，将不再允许通过任何方式改变引用、修改内部状态。

1.2 不可变性的实现

String “不可变性”的保障：

• (1) String 类被 final ，导致不继承；
• (2) 存储 String 的字符的 char 数组为 final 则引用不可改变。
• (3) 所有修改方法（如 concat）都会返回一个新的字符串对象。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence 
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

//省略其他

  public String concat(String str) 
        int otherLen = str.length();
        if (otherLen == 0) 
            return this;
        
        int len = value.length;
        char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
        str.getChars(buf, len);
        return new String(buf, true);
    

1.3 不可变性的好处

1.3.1 节省内存

由于字符串的不可变性，不同的字符串变量可以引用同一个示例来实现节省堆内存的目的。

String s1 = "明明如月学长";
String s2 = "明明如月学长");
String s3 = new String("明明如月学长");
assertThat(s1 == s2).isTrue();
assertThat(s1 == s3).isFalse();

1.3.2 更安全

字符串的不可变性保证了安全性。
请看下面的示例代码，先执行参数的合法性检查，然后执行一些次要的认为，最后执行重要的任务：

void criticalMethod(String userName) 
    //1 执行安全检查
    if (!isAlphaNumeric(userName)) 
        throw new SecurityException(); 
    
	
    //2 执行一些次要的任务
    initializeDatabase();
	
    //3 重要的任务
    connection.executeUpdate("UPDATE Customers SET Status = 'Active' " +
      " WHERE UserName = '" + userName + "'");

假如字符串可变，在第一步安全检查通过后字符串发生修改，代码运行可能出现不符合预期的结果，比如造成 SQL 注入等。

字符串的不可变性也保证了多线程访问时的现成安全性。

1.3.3 hashCode 缓存

大家可以看到 String 的 hashCode 的计算和构成字符串的字符有关，由于 String 的不可变性就可以将 hashCode 缓存起来。源码中也可以看出计算过之后，下次调用 hashCode 直接返回。

 /**
     * Returns a hash code for this string. The hash code for a
     * @code String object is computed as
     * <blockquote><pre>
     * s[0]*31^(n-1) + s[1]*31^(n-2) + ... + s[n-1]
     * </pre></blockquote>
     * using @code int arithmetic, where @code s[i] is the
     * <i>i</i>th character of the string, @code n is the length of
     * the string, and @code ^ indicates exponentiation.
     * (The hash value of the empty string is zero.)
     *
     * @return  a hash code value for this object.
     */
    public int hashCode() 
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) 
            char val[] = value;

            for (int i = 0; i < value.length; i++) 
                h = 31 * h + val[i];
            
            hash = h;
        
        return h;
    

二、怀疑人生

2.1 质疑

不知道你是否真正认真思考过，字符串真的不可变吗？
即使字符串类用 final 修饰，字符串值字符数组也用 final 修饰，所有修改方法都返回新的字符串对象，那么值一定无法修改吗？
答案是否定的！！
我们可以用反射来修改字符串对象的值。

2.2 验证

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException 
        String name ="明明如月学长 admin";
        System.out.println("name 修改前："+name+", hashCode:"+name.hashCode());
        String newName = "明明如月学长";
        System.out.println("newName："+newName+", hashCode:"+newName.hashCode());
        replace(name,newName);
        System.out.println("name 修改后: "+name+", hashCode:"+name.hashCode());
    


    private static  void replace(String name,String newName) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException 
    // 去掉私有
        Field value = String.class.getDeclaredField("value");
        value.setAccessible(true);

   // 去掉 final
        Field mod = Field.class.getDeclaredField("modifiers");
        mod.setAccessible(true);
        mod.setInt(value, value.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);

       // 直接替换 value 字符数组
        value.set(name, newName.toCharArray());
    

输出结果：

name 修改前：明明如月学长 admin, hashCode:557981902
newName：明明如月学长, hashCode:-292262689
name 修改后: 明明如月学长, hashCode:557981902

2.3 带来的问题

如果字符串的值可以修改，程序就可能出现不符合预期的行为，

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.Modifier;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class StringDemo 

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException 

        String name ="明明如月学长 admin";

        new Thread(()->
            try 
                mockExecute(name);
             catch (InterruptedException e) 
                e.printStackTrace();
            
        ).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
        new Thread(()->
            try 
                mockInject(name);
             catch (Exception e) 
                e.printStackTrace();
            
        ).start();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);


    

private  static synchronized   void mockInject(String name) throws InterruptedException, NoSuchFieldException, IllegalAccessException 
        // sleep 让 子线程执行到 wait
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);

        // 检查前使用合规的名称
        System.out.println("mockInject: 去掉 admin，绕过校验");
        replace(name,"明明如月学长");
        StringDemo.class.notifyAll();
        System.out.println("mockInject: 恢复 admin");
        // 检查后换成不合规的名称
        replace(name,"明明如月学长 admin");
        System.out.println("mockInject: 恢复 admin 完毕");
        StringDemo.class.notifyAll();
    

private static  void replace(String name,String newName) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException 
        Field value = String.class.getDeclaredField("value");
        value.setAccessible(true);

        Field mod = Field.class.getDeclaredField("modifiers");
        mod.setAccessible(true);
        mod.setInt(value, value.getModifiers() & ~Modifier.FINAL);
        value.set(name, newName.toCharArray());

    

private static synchronized  void mockExecute(String name) throws InterruptedException 
        System.out.println("mockExecute: [1] name.contains(\\"admin\\")："+name.contains("admin"));
        StringDemo.class.wait();
        //1 参数检查
        if(name.contains("admin"))
            throw new IllegalArgumentException("参数检查失败");
        
        System.out.println("mockExecute: 不含 admin 关键字，参数检查通过");
        System.out.println("mockExecute: [2] name.contains(\\"admin\\")："+name.contains("admin"));
        //2 执行次要任务
        System.out.println("mockExecute: 执行次要任务");

        //3 执行重要人物
        System.out.println("mockExecute: 执行重要任务");
    

这里简单使用 wait/notify 来模拟多线程情况下字符串修改带来的问题。

输出的结果：

mockExecute: [1] name.contains(“admin”)：true
mockInject: 去掉 admin，绕过校验
mockInject: 恢复 admin
mockInject: 恢复 admin 完毕
mockExecute: 不含 admin 关键字，参数检查通过
mockExecute: [2] name.contains(“admin”)：false
mockExecute: 执行次要任务
mockExecute: 执行重要任务

三、总结

字符串的不可变性是指通过 String 的方法来修改字符串都会产出新的字符串对象。但并非指字符串的字符一定无法被修改，我们可以通过反射一样可以对字符串的“状态/值” 进行修改。

正常情况下不会有人去这么做，否则会产出很多不出乎意料的 BUG。

通过本文想提醒大家，尽信书不如无书，对于看到的知识要有自己的思考。

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