面试复盘：Java String 源码分析与不可变类设计原理

在最近的一次面试中，面试官让我分析 Java 中 String 类的源码，解释它为什么是不可变的，并进一步探讨 Java 中其他不可变类及其设计原理。这让我对 Java 的设计思想有了更深的理解。以下是我的复盘和总结。

一、String 源码分析与不可变性原因

1. String 的核心源码

我们从 String 类的源码入手，看看它是如何实现不可变的。以下是 String 类的一些关键部分（基于 JDK 11）：

私有 final char 数组：
java 复制代码
```
private final char[] value;
```
String 内部使用一个 char 数组存储字符序列，final 关键字确保这个数组引用在初始化后无法指向其他对象。
构造方法：
java 复制代码
```
public String(char value[]) {
    this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}
```
在构造时，String 会创建一个字符数组的副本，而不是直接引用传入的数组。这防止外部修改传入数组时影响 String 内部状态。

无修改方法 ： String 类没有提供任何直接修改 value 数组内容的方法。例如，substring()、replace() 等方法都会返回一个新的 String 对象，而不是修改原对象：

java 复制代码

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

2. 为什么 String 是不可变的？

从源码可以总结出 String 不可变的原因：

final 修饰类 ：String 类被声明为 final，无法被继承，避免子类破坏其不可变性。
final 修饰字段 ：value 数组是 private final，初始化后无法重新赋值。
无 setter 方法 ：String 只提供 getter（如 charAt()），没有直接修改内容的接口。
防御性复制：构造时复制传入的字符数组，防止外部修改影响内部状态。
操作返回新对象 ：所有修改操作（如 concat()、toLowerCase()）都生成新 String，原对象保持不变。

3. 不可变性的好处

String 被设计为不可变有以下优势：

线程安全：不可变对象无需同步，天然线程安全。
缓存优化 ：不可变性使得 String 可以被安全地缓存（如字符串常量池）。
安全性：在敏感场景（如文件路径、数据库键）中，不可变性防止意外修改。
哈希一致性 ：hashCode() 结果固定，适合用作 HashMap 的键。

二、Java 中的其他不可变类

Java 中除了 String，还有许多不可变类，常见的有：

基本类型包装类 ：如 Integer、Double、Boolean 等。
- 源码特点：字段用 final 修饰，无 setter 方法。例如 Integer：
  java 复制代码
```
private final int value;
public Integer(int value) {
    this.value = value;
}
```

java.time 包中的时间类 ：如 LocalDate、LocalTime、LocalDateTime。

操作返回新对象，例如：

java 复制代码

public LocalDate plusDays(long daysToAdd) {
    if (daysToAdd == 0) {
        return this;
    }
    // 返回新对象
    long mjDay = Math.addExact(toEpochDay(), daysToAdd);
    return LocalDate.ofEpochDay(mjDay);
}

java.util.UUID ：表示唯一标识符。
- 字段为 final，构造后不可变。

三、不可变类的设计原理

不可变类的设计遵循一些共同的原则：

字段不可变：
- 使用 final 修饰所有字段，确保初始化后不可更改。
- 如果字段是对象（如数组），需要防御性复制。
类不可继承：
- 使用 final 修饰类，防止子类破坏不可变性。
无修改方法：
- 不提供 setter 或任何修改状态的公开方法。
- 修改操作返回新对象，而不是改变原有对象。
构造时初始化：
- 所有字段在构造方法中完成赋值，后续不可更改。

示例：自定义不可变类

以下是一个简单的不可变类设计：

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final class ImmutablePoint {
    private final int x;
    private final int y;

    public ImmutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int getX() { return x; }
    public int getY() { return y; }

    public ImmutablePoint move(int dx, int dy) {
        return new ImmutablePoint(x + dx, y + dy);
    }
}

四、不可变设计的意义

不可变类的设计体现了函数式编程的思想，强调"无副作用"和"状态不变"。在并发编程中，它减少了锁的使用；在分布式系统中，它简化了数据一致性问题。String 和其他不可变类的设计，正是 Java 平衡性能、安全性和易用性的体现。

五、总结

通过分析 String 源码，我明白了其不可变性依赖于 final 字段、防御性复制和无修改操作的特性。Java 中的其他不可变类（如 Integer、LocalDate）遵循类似原则，旨在提供安全、高效的对象模型。这次面试让我不仅复习了源码细节，还加深了对面向对象设计理念的理解。在实际开发中，合理使用不可变类可以显著提升代码的健壮性。