为什么String被设计为不可变?是否真的不可变？

不可变对象是指对象的状态在被初始化以后，在整个对象的生命周期内，不可改变。 

通常情况下，在java中通过以下步骤实现不可变

1. 对于属性不提供设值方法
2. 所有的属性定义为private final
3. 类声明为final不允许继承

为什么String被设计为不可变？

• 1. 字符串常量池的需要
  • 字符串常量池(String pool, String intern pool, String保留池) 是Java堆内存中一个特殊的存储区域, 当创建一个String对象时,假如此字符串字面值常量已经存在于常量池中,则不会创建一个新的对象,而是引用已经存在的对象。
  • 假若字符串对象允许改变,那么将会导致各种逻辑错误,比如改变一个对象会影响到另一个独立对象. 严格来说，这种常量池的思想,是一种优化手段.
• 2. 允许String对象缓存HashCode
  • Java中String对象的哈希码被频繁地使用, 比如在hashMap 等容器中。
  • 字符串不变性保证了hash码的唯一性,因此可以放心地进行缓存.这也是一种性能优化手段,意味着不必每次都去计算新的哈希码. 在String类的定义中有如下代码:private int hash;//用来缓存HashCode
• 3. 安全性
  • String被许多的Java类(库)用来当做参数,例如 网络连接地址URL,文件路径path,还有反射机制所需要的String参数等, 假若String不是固定不变的,将会引起各种安全隐患。

 在JDK1.6中，String的成员变量有以下几个：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence
{
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
 
    /** The offset is the first index of the storage that is used. */
    private final int offset;
 
    /** The count is the number of characters in the String. */
    private final int count;
 
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

JDK1.7中String类的主要成员变量就剩下了两个：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
 
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

• 字符串字面值存储在常量池中，可以共享
  • JDK1.7之前字符串字面值常量存放在方法区中的常量池
  • JDK1.7之后移入堆中
• 方法区在JDK1.8之前也叫永久代，JDK1.8叫元空间
• 从JDK1.9开始底层实现用的是byte[]数组，之前用的是char[]数组

由以上的代码可以看出， 在Java中String类其实就是对字符数组的封装。JDK6中， value是String封装的数组，offset是String在这个value数组中的起始位置，count是String所占的字符的个数。在JDK7中，只有一个value变量，也就是value中的所有字符都是属于String这个对象的。这个改变不影响本文的讨论。 除此之外还有一个hash成员变量，是该String对象的哈希值的缓存，这个成员变量也和本文的讨论无关。在Java中，数组也是对象。 所以value也只是一个引用，它指向一个真正的数组对象。其实执行了String s = “ABCabc”; 这句代码之后，真正的内存布局应该是这样的：

value，offset和count这三个变量都是private的，并且没有提供setValue， setOffset和setCount等公共方法来修改这些值，所以在String类的外部无法修改String。也就是说一旦初始化就不能修改， 并且在String类的外部不能访问这三个成员。此外，value，offset和count这三个变量都是final的， 也就是说在String类内部，一旦这三个值初始化了， 也不能被改变。所以可以认为String对象是不可变的了。

从上文可知String的成员变量是private final 的，也就是初始化之后不可改变。那么在这几个成员中， value比较特殊，因为他是一个引用变量，而不是真正的对象。value是final修饰的，也就是说final不能再指向其他数组对象，那么我能改变value指向的数组吗？ 比如将数组中的某个位置上的字符变为下划线“_”。 至少在我们自己写的普通代码中不能够做到，因为我们根本不能够访问到这个value引用，更不能通过这个引用去修改数组。那么用什么方式可以访问私有成员呢？ 没错，用反射， 可以反射出String对象中的value属性， 进而改变通过获得的value引用改变数组的结构。下面是实例代码：

public static void testReflection() throws Exception {
     
    //创建字符串"Hello World"， 并赋给引用s
    String s = "Hello World";
     
    System.out.println("s = " + s); //Hello World
     
    //获取String类中的value字段
    Field valueFieldOfString = String.class.getDeclaredField("value");
     
    //改变value属性的访问权限
    valueFieldOfString.setAccessible(true);
     
    //获取s对象上的value属性的值
    char[] value = (char[]) valueFieldOfString.get(s);
     
    //改变value所引用的数组中的第5个字符
    value[5] = '_';
     
    System.out.println("s = " + s);  //Hello_World
}

打印结果为：s = Hello World s = Hello_World

在这个过程中，s始终引用的同一个String对象，但是再反射前后，这个String对象发生了变化， 也就是说，通过反射是可以修改所谓的“不可变”对象的。但是一般我们不这么做。这个反射的实例还可以说明一个问题：如果一个对象，他组合的其他对象的状态是可以改变的，那么这个对象很可能不是不可变对象。例如一个Car对象，它组合了一个Wheel对象，虽然这个Wheel对象声明成了private final 的，但是这个Wheel对象内部的状态可以改变， 那么就不能很好的保证Car对象不可变。