浅析String of "avoid getfield opcode" and "invariance"

Posted 2020-08-21 热心市民小陈

 

在所有编程语言领域，我想字符串应该是地球上最常用的表达手段了吧。

 

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在java的世界里，String是作为类出现的，核心的一个域就是一个char数组，内部就是通过维护一个不可变的char数组，来向外部输出的。

这是jdk一段String类定义，首先类是final，表明类不可被继承；核心域是private final的，final表明这个引用所指向的内存地址不会改变，但这还不足说明value[]是不可变的；因为引用所指向的内存的值有可能发生变化，但是jdk是不会让这样的事情发生的。private 保证这个域对外部来说是不可见的，这还不够，对value还要进行 保护性拷贝 。

举一个简单的例子：

这是一个String的构造函数，参数是一个char数组引用，它并没有把这个数组引用直接赋值给实例对象的value成员变量，而是通过一个Arrays.copyOf的方式拷贝一个数组再给到对象的成员变量。为什么呢？假设它这里是直接一个赋值，那String的不可变性就彻底被破坏了，因为如此一来，存在一个外部引用与实例对象value引用指向相同的内存地址，通过外部引用就可以改变这个char数组对象，最终导致的结果就是String不再不可变。幸好JDK中所有的对value的操作都是保护性拷贝操作，不管是被赋值，还是赋值给其它外部引用。

说了这么多，为什么JAVA要String保持一个不可变的状态呢？原因其实很简单，因为String太太太太常用了，地球上没有能比这个更常用的对象了，设计成不可变的，是为了减少大量的同步锁的开销。但是要注意 并不是声明成final的类一定是不可变的 。

根据effective java一书中提到，类不变需遵循五条规则：

1.不提供任何机会修改对象状态的方法

2.保证类不被扩展

3.所有域都是final

4.所有域都是私有的

5.确保对于任何可变组件的互斥访问

 

有兴趣的同学可以参考 effective 第十五条，这里就不展开讲了。作了那么久的铺垫，接下来可以谈谈avoid getfield opcode了，按翻译来说就是防止"调用访问域的操作码"，这段tip来自一段注释。

十分常用的replace方法，内部算法大概是这样一个过程:先找到第一个oldChar的下标i,拷贝小标i之前的旧数组的内容到新的数组，新数组［i］=\'newChar\',遍历i之后的内容，若旧数组出现为oldChar则在新数组中替换为newChar,若没有出现，则拷贝旧值到新数组。

起初我很奇怪，到底为什么，一定要找到第一个出现oldChar的下标，为什么不直接遍历数组中每一个char 若为旧值，替换为新值。我从时间复杂度，空间复杂度去考虑这个算法，始终没有得到结果。我还是太年轻啊，后来才发觉其实还是为了维护一个String的设计原则："对于拥有相同的字符字面量的情况下，String的构造还是优先返回原字符串对象"。这么做应该是为了解决堆内存吧。

 

那么，这一句注释到底是什么意思呢？要理解这句话，需要对JVM有一定的了解。

 

JVM在运行中的数据区，分为五个部分：方法区，堆区，虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器。

首先类相关的信息肯定是放在方法区的，堆中放一些实例对象，程序计数器始终指向下一条将要执行的指令，虚拟机栈和本地方法栈分别是用来于普通方法和本地方法的。

着重说一下虚拟机栈，它是线程私有的，描述的是java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时创建一个栈帧，用于存放局部变量表，操作数栈，方法入口，动态链接等。

 

 局部变量表用来存放一些基本数据类，和引用。操作数栈的话，是用来作运算用的，打个比方

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

JVM会先把a,b的值压入到操作数栈保存起来，等到程序计数器执行加法指令的时候，再把a,b从栈中pop出来。重点就在于a,b值是从哪里压入到栈中的，如果没有那么接下来要遍历的就是value数组了，value毫无疑问是堆中的数据，也就是每一次遍历会经历，数据由堆中取出，进入栈帧，再由栈帧压入到操作数栈，最后pop出来进行运算。

如果执行了上述代码，情况就大不相同了，val就是一个局部变量，它会被存放在局部变量表中，接来下的运算，就是局部变量表到操作数栈了，属于一个栈帧内的数据转移。JVM为了避免频繁进行堆栈数据转移，将值复制到本地变量一次，以避免在接下来的几行中循环的每一次迭代，从堆中多次取下的字段值。

 

除了我提到的这些，String源码中还有许多值得学习的算法，设计方式，代码优化，比如，还有常量池的实现。

 

最后我想求教一个问题啊，在JDK7点版本中，String引入了一段静态代码块，

我甚是不解啊，不知道有没有大神帮我解读一下这段代码的含义？