Java9为何要将String的底层实现由char[]改成了byte[]?

Posted 2022-05-28 androidstarjack

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来源: https://www.zhihu.com/question/447224628

如果你不是 Java8 的钉子户，你应该早就发现了：String 类的源码已经由 char[] 优化为了 byte[] 来存储字符串内容，为什么要这样做呢？

开门见山地说，从 char[] 到 byte[]，最主要的目的是为了节省字符串占用的内存 。内存占用减少带来的另外一个好处，就是 GC 次数也会减少。

Part1为什么要优化 String 节省内存空间

我们使用 jmap -histo:live pid | head -n 10 命令就可以查看到堆内对象示例的统计信息、查看 ClassLoader 的信息以及 finalizer 队列。

以我正在运行着的编程喵喵项目实例（基于 Java 8）来说，结果是这样的:

其中 String 对象有 17638 个，占用了 423312 个字节的内存，排在第三位。

由于 Java 8 的 String 内部实现仍然是 char[]，所以我们可以看到内存占用排在第 1 位的就是 char 数组。

char[] 对象有 17673 个，占用了 1621352 个字节的内存，排在第一位。

那也就是说优化 String 节省内存空间是非常有必要的，如果是去优化一个使用频率没有 String 这么高的类库，就显得非常的鸡肋。

Part2byte[] 为什么就能节省内存空间呢？

众所周知，char 类型的数据在 JVM 中是占用两个字节的，并且使用的是 UTF-8 编码，其值范围在 '\\u0000'（0）和 '\\uffff'（65,535）（包含）之间。

也就是说，使用 char[] 来表示 String 就导致了即使 String 中的字符只用一个字节就能表示，也得占用两个字节。

而实际开发中，单字节的字符使用频率仍然要高于双字节的。

当然了，仅仅将 char[] 优化为 byte[] 是不够的，还要配合 Latin-1 的编码方式，该编码方式是用单个字节来表示字符的，这样就比 UTF-8 编码节省了更多的空间。

换句话说，对于：

String name = "jack";

这样的，使用 Latin-1 编码，占用 4 个字节就够了。

但对于：

String name = "小明";

这种，木的办法，只能使用 UTF16 来编码。欢迎关注公众号"终端研发部"，查看更多干货！

针对 JDK 9 的 String 源码里，为了区别编码方式，追加了一个 coder 字段来区分。

/**  
 * The identifier of the encoding used to encode the bytes in  
 * @code value. The supported values in this implementation are  
 *  
 * LATIN1  
 * UTF16  
 *  
 * @implNote This field is trusted by the VM, and is a subject to  
 * constant folding if String instance is constant. Overwriting this  
 * field after construction will cause problems.  
 */  
private final byte coder;

Java 会根据字符串的内容自动设置为相应的编码，要么 Latin-1 要么 UTF16。

也就是说，从 char[] 到 byte[]，中文是两个字节，纯英文是一个字节，在此之前呢，中文是两个字节，英文也是两个字节。

Part3为什么用UTF-16而不用UTF-8呢？

在 UTF-8 中，0-127 号的字符用 1 个字节来表示，使用和 ASCII 相同的编码。只有 128 号及以上的字符才用 2 个、3 个或者 4 个字节来表示。

如果只有一个字节，那么最高的比特位为 0；如果有多个字节，那么第一个字节从最高位开始，连续有几个比特位的值为 1，就使用几个字节编码，剩下的字节均以 10 开头。具体的表现形式为：

0xxxxxxx：一个字节；110xxxxx 10xxxxxx：两个字节编码形式（开始两个 1）；- 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：三字节编码形式（开始三个 1）；11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：四字节编码形式（开始四个 1）。也就是说，UTF-8 是变长的，那对于 String 这种有随机访问方法的类来说，就很不方便。所谓的随机访问，就是charAt、subString这种方法，随便指定一个数字，String要能给出结果。如果字符串中的每个字符占用的内存是不定长的，那么进行随机访问的时候，就需要从头开始数每个字符的长度，才能找到你想要的字符。

那有小伙伴可能会问，UTF-16也是变长的呢？一个字符还可能占用 4 个字节呢？

的确，UTF-16 使用 2 个或者 4 个字节来存储字符。

对于 Unicode 编号范围在 0 ~ FFFF 之间的字符，UTF-16 使用两个字节存储。对于 Unicode 编号范围在 10000 ~ 10FFFF 之间的字符，UTF-16 使用四个字节存储，具体来说就是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于 D800~DBFF 之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位）用一个值介于 DC00~DFFF 之间的双字节存储。但是在 Java 中，一个字符（char）就是 2 个字节，占 4 个字节的字符，在 Java 里也是用两个 char 来存储的，而String的各种操作，都是以Java的字符（char）为单位的，charAt是取得第几个char，subString取的也是第几个到第几个char组成的子串，甚至length返回的都是char的个数。

所以UTF-16在Java的世界里，就可以视为一个定长的编码。

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