系統(tǒng)優(yōu)化專題2——String

字符串性能優(yōu)化

String對象是我們使用最頻繁的一個對象類型磕道，但它的性能問題卻是最容易被忽略的。String對象作為Java語言中重要的數(shù)據(jù)類型讳侨，可以說是在內(nèi)存中占據(jù)空間最大的一個對象呵萨。高效地使用字符串，可以提升系統(tǒng)的整體性能跨跨。

我們從String對象的實(shí)現(xiàn)潮峦、特性以及實(shí)際使用中的優(yōu)化這三個方面入手，深入了解勇婴。

先看如下代碼忱嘹，創(chuàng)建3個對象，依次兩兩匹配耕渴，每組的結(jié)果是否相等拘悦？

String str1 = "abc";
String str2 = new String("abc");
String str3 = str2.intern();
asserSame(str1 == str2);
asserSame(str2 == str3);
asserSame(str1 == str3);

String對象是如何實(shí)現(xiàn)的？

在Java語言中萨螺，對String對象做了大量優(yōu)化窄做，來節(jié)約內(nèi)存空間愧驱，提升String對象在系統(tǒng)中的性能慰技，優(yōu)化過程如圖所示：

image.png

在Java6及之前版本中，String對象是對char數(shù)組進(jìn)行封裝實(shí)現(xiàn)的對象组砚，主要有四個成員變量：char數(shù)組吻商、偏移量offset、字符數(shù)量count糟红、哈希值hash艾帐。String對象通過offset和count 兩個屬性來定位char[]數(shù)組，獲取字符串盆偿。這樣做可以高效柒爸、快速地共享數(shù)組對象，同時(shí)節(jié)省內(nèi)存空間事扭，但這種方式很有可能會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏捎稚。
Java7版本和Java8版本，Java對String類做了一些改變求橄。String類中不再有offset和count兩個變量了今野。這樣做的好處是String對象占用的內(nèi)存減少了，同時(shí)String.substring()方法不再共享原對象的char[]罐农，從而解決了使用該方法可能導(dǎo)致的內(nèi)存泄露問題条霜。
從Java9開始，Java將char[]改為了byte[]字段涵亏，維護(hù)了新的屬性coder宰睡，它是一個編碼格式的標(biāo)識蒲凶。我們知道一個char字符占16位，2個字節(jié)夹厌。這個情況下豹爹，存儲單字節(jié)編碼內(nèi)的字符就顯得非常浪費(fèi)。JDK9的String類為了節(jié)約內(nèi)存空間矛纹，使用了占8位臂聋，一個字節(jié)的byte數(shù)組來存放字符串。新屬性coder的作用是或南，在計(jì)算字符串長度或者使用indexOf()函數(shù)時(shí)孩等，需要根據(jù)這個字段，判斷如何計(jì)算字符串長度采够。coder屬性默認(rèn)0或1肄方，0代表Latin-1單字節(jié)，1代表UTF-16蹬癌。如果String判斷字符串只含有Latin-1則coder等于0否則等于1权她。

String對象的不可變性

觀察源碼可以知道，String類是被final關(guān)鍵字修飾的逝薪，并且變量char[]也被final修飾了隅要。我們知道被final修飾的類不可繼承，變量被final+private修飾就不可更改董济。Java實(shí)現(xiàn)的這個特性叫做String對象的不可變性步清，即String對象一旦創(chuàng)建成功，就不能修改虏肾。這樣做有什么好處呢廓啊？

保證了String對象的安全性。保證不會被惡意修改封豪。
保證hash屬性值不會頻繁變更谴轮，使得類似HashMap容器能實(shí)現(xiàn)key-value緩存。
能夠?qū)崿F(xiàn)字符串常量池吹埠，當(dāng)代碼使用String str = "abc"; 創(chuàng)建對象時(shí)第步，JVM首先會檢查該對象是否在字符串常量池中，如果在藻雌，則返回其引用雌续，否則在常量池中被創(chuàng)建，這種實(shí)現(xiàn)可以減少相同對象的重復(fù)創(chuàng)建胯杭，節(jié)約內(nèi)存驯杜。當(dāng)使用String str = new String("abc");創(chuàng)建對象時(shí)，首先在編譯類文件時(shí)做个，會將"abc"常量放到常量結(jié)構(gòu)中鸽心，在類加載時(shí)滚局，"abc"會在常量池中創(chuàng)建；其次顽频，在調(diào)用new時(shí)藤肢，JVM將會調(diào)用String的構(gòu)造函數(shù)，同時(shí)引用常量池的"abc"糯景，在堆中創(chuàng)建一個String對象嘁圈；最后str會引用String對象。
而我們平時(shí)的使用中會發(fā)現(xiàn)蟀淮，String str="abc";str="bcd";這樣的語句最住，這里str是可變的。其實(shí)怠惶，這里的str只是對String對象的引用涨缚，原來的對象仍舊存在于內(nèi)存中。

String對象的優(yōu)化

接下來我們根據(jù)String對象的特性策治，看看如何優(yōu)化String對象脓魏，優(yōu)化的過程中有什么需要注意的地方。

構(gòu)建超大字符串
```
String str = "a"+"b"+"c";
```
對于上面的代碼通惫，我們知道茂翔，JVM首先會生成a、b讽膏、c三個對象檩电，最后生成abc對象拄丰，理論上來講這樣的代碼效率會很低府树。但在實(shí)際運(yùn)行中，我們就會發(fā)現(xiàn)料按，編譯器自動將這條語句優(yōu)化為
```
String str = "abc";
```
上述代碼是字符串常量的累加奄侠，那么對于字符串變量，編譯器是否會進(jìn)行同樣的優(yōu)化呢载矿？
對于
```
String str="abc";
for(int i=0;i<100;i++){
     str+=i;
}
```
這段代碼垄潮，編譯器同樣會進(jìn)行優(yōu)化税弃，優(yōu)化的結(jié)果是這樣的
```
String str="abc";
for(int i=0;i<100;i++){
     str=(new StringBuilder(String.valueOf(str))).append(i).toString();
}
```
綜上怕磨，即使使用+進(jìn)行字符串拼接，也同樣會被編譯器優(yōu)化為StringBuilder方式赁严，但我們發(fā)現(xiàn)逢勾，編譯器的優(yōu)化牡整，每次循環(huán)就會創(chuàng)建一個新的StringBuilder對象，同樣會降低系統(tǒng)性能溺拱。所以逃贝，平時(shí)進(jìn)行字符串拼接的時(shí)候谣辞，建議顯式使用StringBuilder提升系統(tǒng)性能。在多線程編程中String對象的拼接涉及到線程安全沐扳，我們可以使用StringBuffer泥从，但是StringBuffer涉及到鎖競爭，所以從性能上來說沪摄，要比StringBuilder差一些躯嫉。
使用String.intern節(jié)省內(nèi)存，每次賦值時(shí)使用String的intern方法杨拐，可以大幅度降低重復(fù)信息的內(nèi)存占用率和敬。調(diào)用intern方法，JVM回去檢查字符串常量池中是否有等于該對象的字符串的引用戏阅，如果沒有昼弟，在JDK1.6中會復(fù)制堆內(nèi)存中的字符串到常量池中，并返回引用奕筐，堆內(nèi)存中的字符串會通過垃圾回收器回收舱痘。在JDK1.7后，常量池合并到堆中离赫，不需要再復(fù)制字符串芭逝，只會把首次遇到的字符串的引用添加到常量池中；如果有渊胸，就返回引用旬盯。

image.png

使用intern方法需要注意，一定要結(jié)合場景翎猛。常量池是類似HashTable的實(shí)現(xiàn)胖翰，存儲的數(shù)據(jù)越大，遍歷的時(shí)間復(fù)雜度越大切厘，數(shù)據(jù)如果過大萨咳，會增大字符串常量池的負(fù)擔(dān)。
謹(jǐn)慎選擇字符串分割疫稿，Split()作為分割字符串的方法培他，其內(nèi)部是使用正則表達(dá)式來實(shí)現(xiàn)的，會出現(xiàn)回溯的風(fēng)險(xiǎn)遗座，建議使用indexOf方法代替Split方法完成分割舀凛。如果一定要使用Split方法，就需要對回溯問題加以重視途蒋。