面试题：Java中String类的不可变性在底层是如何实现的？

Question

请详细阐述Java中String类被设计为不可变的原因，以及从底层代码角度说明它是如何保证不可变性的。

Answer 1

String类设计为不可变的原因

1. 安全性：在多线程环境下，String作为参数传递给方法时，如果可变，一个线程修改了字符串内容，可能会对其他依赖该字符串的线程产生不可预知的影响。例如在网络连接、数据库操作等场景中传递的字符串，如果被意外修改，会导致安全漏洞。比如在使用URL时，其路径部分由字符串构成，如果可变，可能被恶意篡改。
2. 缓存：由于String不可变，所以可以将字符串缓存起来提高性能。Java中有字符串常量池，当创建字符串时，首先会在常量池中查找是否存在相同内容的字符串，如果存在则直接返回引用。例如String s1 = "hello"; String s2 = "hello";，s1和s2指向常量池中的同一个字符串对象，节省了内存空间。
3. 哈希值稳定性：String经常被用作HashMap的键，如果字符串可变，其哈希值可能会改变，导致在哈希表中存储和查找出现错误。因为在HashMap中，对象的哈希值在存储时确定，查找时根据哈希值定位，如果哈希值改变就无法正确找到对应的值。

从底层代码角度保证不可变性

1. 存储结构：在Java 9之前，String类内部是通过char数组存储字符串内容，private final char value[]，final关键字保证了数组引用一旦初始化就不能再指向其他数组，防止外部代码修改数组引用。在Java 9及之后，改为使用byte数组存储，private final byte[] value，同时增加了一个coder字段来标识编码方式。
2. 方法实现：String类的方法，如substring、replace等，这些方法看似修改了字符串内容，但实际上都是创建并返回一个新的String对象，原字符串对象并没有改变。例如substring方法：

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length))? this
            : new String(value, beginIndex, subLen);
}

这里返回了一个新的String对象，而不是修改原对象。同样，replace方法也是如此，它遍历原字符串，根据替换规则构建新的字符串返回。 3. 没有提供修改内部数组的方法：String类没有对外提供直接修改内部存储数组的方法，进一步保证了不可变性。外部代码无法直接访问和修改存储字符串内容的数组，只能通过String类提供的方法操作字符串，而这些方法都是返回新的字符串对象。