String 底层数据类型

在不同的 JDK 版本中，String 底层数据类型的实现有所不同：

• JDK 8 及以前版本：String 底层使用 char 类型的数组存储字符序列。

  private final char value[];

  这种实现方式在处理非 ASCII 字符时，每个字符占用两个字节，即使是 ASCII 字符也占用两个字节，可能导致内存空间的浪费。

• JDK 9 及以后版本：String 底层改用 byte 类型的数组存储字符序列，并增加了一个 coder 字段来标识编码格式（LATIN1 或 UTF16）。

  private final byte[] value;
  private final byte coder; // 0 for LATIN1, 1 for UTF16

  这种优化被称为 Compact Strings。对于只包含 Latin-1 字符（即 ASCII 字符和扩展 ASCII 字符，占用一个字节）的字符串，String 会使用 LATIN1 编码，每个字符占用一个字节，从而节省内存。对于包含非 Latin-1 字符的字符串，则使用 UTF16 编码，每个字符占用两个字节。

String 的不可变性实现原理

String 对象的不可变性（Immutable）是指 String 对象一旦创建，其内部的字符序列就不能被改变。其实现原理如下：

1. 底层存储数组被 final 和 private 修饰： 存储字符序列的数组都 final 和 private 关键字修饰。

   • private 确保了 value 数组不能被外部直接访问。
   • final 确保了 value 引用一旦初始化后就不能指向其他数组对象。虽然 final 数组本身的内容是可变的，但 String 类并没有提供改变 value 数组内容的方法。

2. 没有提供修改字符串内容的方法： String 类本身没有提供任何公共方法来修改 value 数组中的字符或字节。所有看似修改 String 对象的操作（如 concat()、substring()、replace() 等）实际上都是创建并返回一个新的 String 对象，而原 String 对象保持不变。

3. String 类不能被继承： String 类被 final 修饰，这意味着它不能被继承。这进一步保证了其不可变性，因为如果 String 可以被继承，子类可能会重写方法或引入新的行为来修改字符串内容，从而破坏 String 的不可变性。

String 存储的长度限制

String 存储的长度存在限制，但这个限制在编译期和运行期有所不同：

1. 编译期限制： 在 Java 编译时，字符串常量被存储在字节码文件的常量池中。CONSTANT_Utf8_info 结构用于表示字符串常量的值。这个结构使用 u2 length 字段来表示字符串的 UTF-8 编码字节长度，其最大值为 65535（即 $2^{16}-1$）。 因此，在编译期，一个单独的字符串字面量（例如 String s = "..."）的长度不能超过 65535 个字节（注意是字节长度，不是字符长度）。

2. 运行期限制： 在运行期，String 对象的实际长度由其内部 value 数组的长度决定。String 类的 length() 方法返回的是 value 数组的长度，而这个长度是用 int 类型表示的。 int 类型的最大值为 Integer.MAX_VALUE，即 $2^{31}-1$。因此，理论上 String 对象在运行期可以存储的最大字符数是 $2^{31}-1$。 然而，实际能够创建的 String 对象长度还会受到 Java 虚拟机（JVM）可用内存的限制。