Java 9 对 String 类的底层实现进行了重要的优化，将字符存储方式从 char[] 改为了 byte[]。这一变更旨在提高内存利用率和优化性能。本文将深入探讨这一变更的原因、具体实现以及带来的好处。
1. String 不可变性的实现
在探讨 Java 9 的优化之前，我们先回顾一下 String 类为什么以及如何实现不可变性。理解不可变性对于理解新版本的优化尤为重要。
1.1 String 的定义
以下是 String 类的定义（Java 9 之前）：
java
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
private final char value[];
private int hash; // Default to 0
private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
// other methods and constructors
}主要有以下几点特性保证了 String 的不可变性：
- 使用 final 修饰数组：value 数组被 final 修饰，这意味着引用不可变，但数组内容仍然是可变的。
- 私有数组：value 数组被声明为 private，外部类无法直接访问和修改数组内容。
- 没有提供修改内容的方法：String 类没有提供任何可以修改 value 数组内容的方法，所有改变字符串内容的方法实际上都是创建一个新的 String 对象。
- 类本身是 final 的：String 类被 final 修饰，不能被继承。
通过以上设计，String 类实现了不可变性，这带来了许多好处，如线程安全、字符串常量池的高效利用以及简化设计。
2. Java 9 中 String 的优化
Java 9 中，String 类的实现从 char[] 改为 byte[]，并引入了新的编码方案。
2.1 新的编码方案
Java 9 中，String 类支持两种编码方案：Latin-1 和 UTF-16。
- Latin-1 编码：每个字符占用 1 个字节（8 位）。
- UTF-16 编码：每个字符占用 2 个字节（16 位）。
新的 String 类根据字符串内容选择合适的编码方式。如果字符串只包含 Latin-1 可表示的字符（即 ASCII 字符集内的字符），则使用 Latin-1 编码，否则使用 UTF-16 编码。这一设计大大提高了内存利用效率，因为大多数字符串只包含 Latin-1 可表示的字符。
2.2 具体实现
以下是 Java 9 中 String 类的部分源码：
java
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
@Stable
private final byte[] value;
private final byte coder; // 编码标识，0 表示 Latin-1，1 表示 UTF-16
// 其他字段和方法省略
// 构造方法示例
String(byte[] value, byte coder) {
this.value = value;
this.coder = coder;
}
}在这段代码中，String 类使用一个 byte[] 数组和一个编码标识 coder 来表示字符串内容。coder 的值为 0 表示使用 Latin-1 编码，为 1 表示使用 UTF-16 编码。
2.3 内存优化
通过使用 byte[] 数组和灵活的编码方案，Java 9 在内存利用方面取得了显著的优化。下面是一个内存对比的例子：
假设有两个字符串，一个只包含 Latin-1 字符，另一个包含超出 Latin-1 范围的字符：
java
String latin1Str = "Hello"; // 只包含 Latin-1 字符
String utf16Str = "你好"; // 包含超出 Latin-1 范围的字符在 Java 9 之前，这两个字符串的底层实现都是 char[]，每个字符都占用 2 个字节。而在 Java 9 之后，latin1Str 使用 byte[] 存储，每个字符占用 1 个字节；utf16Str 仍然使用 2 个字节存储每个字符。
2.4 实际内存节省
具体来看，latin1Str 仅占用 5 个字节，而不是 10 个字节，显著减少了内存使用。对于包含大量短字符串的应用程序，如 Web 应用和数据处理程序，这种优化能带来显著的内存节省。
3. 实际应用场景
Java 9 的这一优化对许多实际应用场景都有积极影响。
3.1 线程安全
不可变对象天生是线程安全的，多个线程可以同时访问同一个 String 实例而不需要同步机制，因为不会发生修改操作。
3.2 字符串常量池
Java 中的字符串常量池（String Pool）使得相同内容的字符串共享同一个对象，从而节省内存。如果 String 是可变的，那么常量池的使用将变得非常复杂，甚至不可能实现。
3.3 缓存哈希码
String 类通过缓存哈希码来提高性能。由于字符串不可变，哈希码一旦计算，可以缓存起来以供后续使用，而不需要每次都重新计算。
java
private int hash; // Default to 0
@Override
public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0 && value.length > 0) {
byte[] val = value;
for (int i = 0; i < value.length; i++) {
h = 31 * h + val[i];
}
hash = h;
}
return h;
}4. 总结
Java 9 将 String 的底层实现从 char[] 改为 byte[]，并引入了新的编码方案，显著提高了内存利用效率。这一改进特别适用于大量使用字符串的应用程序，如 Web 应用、数据处理等。
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