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@Overridepublic 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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