为什么 String 在 Java 中是不可变的？

1. 引言

在 Java 中，String 是不可变的（immutable）。这个问题在面试中非常常见：“为什么 Java 要设计成 String 不可变？”

Java 之父 James Gosling 曾在一个采访中被问到什么时候该使用不可变对象，他的回答是：

我会在任何可能的情况下使用不可变对象。

他还进一步解释了不可变性带来的优势：比如缓存、安全性、无需复制即可复用、线程安全等。

本文将深入探讨 Java 语言设计者为何将 String 类设计为不可变类。

2. 什么是不可变对象？

✅ 不可变对象：指一个对象在创建完成后，其内部状态永远无法被修改。
这意味着：

你不能改变该对象的引用指向（除非重新赋值）
更不能通过任何方式修改其内部字段的值

举个例子，一旦一个 String 对象被创建，你就不能再“修改”它的内容。所谓的 s += "abc" 其实是创建了一个新对象。

我们有专门的文章讲解 Java 中的不可变对象，感兴趣可以查阅《Java 不可变对象详解》。

3. 为什么 String 要设计成不可变？

String 设计为不可变，核心原因有四个：✅ 字符串常量池优化、✅ 安全性、✅ 线程安全、✅ 性能提升（尤其是哈希缓存）

下面我们逐个展开。

3.1 字符串常量池（String Pool）

String 是 Java 中使用最频繁的数据类型之一。为了节省内存，JVM 引入了 字符串常量池（String Pool） —— 一个专门存储字符串字面量的特殊内存区域。

由于 String 是不可变的，JVM 才能放心地对相同内容的字符串进行复用。这个过程叫做 interning（驻留）。

看下面这个例子：

String s1 = "Hello World";
String s2 = "Hello World";
         
assertThat(s1 == s2).isTrue();

⚠️ 注意：这里用的是 ==，而不是 equals()。
结果为 true，说明 s1 和 s2 指向的是同一个对象，它们都从字符串池中获取了同一个实例。

这就是不可变性的功劳：因为内容不会变，所以可以安全共享。

Why String Is Immutable In Java

如果没有不可变性，这种共享机制就会出问题 —— 一个线程修改了字符串内容，其他所有引用它的变量都会受影响，这显然是灾难性的。

我们有专门文章讲解字符串池，详见《Java 字符串池详解》。

3.2 安全性

String 被广泛用于存储敏感信息，比如：

用户名、密码
数据库连接 URL
网络地址
JVM 类加载器中的类名

如果 String 是可变的，那安全体系就会崩塌。来看一个典型场景：

void criticalMethod(String userName) {
    // 执行安全校验
    if (!isAlphaNumeric(userName)) {
        throw new SecurityException(); 
    }
    
    // 做一些其他操作
    initializeDatabase();
    
    // 关键操作：执行 SQL 更新
    connection.executeUpdate("UPDATE Customers SET Status = 'Active' " +
      " WHERE UserName = '" + userName + "'");
}

我们对 userName 做了合法性校验，但注意：调用方仍然持有这个 String 的引用。

❌ 如果 String 是可变的，调用方完全可以在我们校验之后、执行 SQL 之前，偷偷把 userName 从 "alice" 改成 "alice'; DROP TABLE Customers; --"。

虽然 Java 的 String 实际上无法被修改，但假设它是可变的，这就构成了典型的 SQL 注入漏洞。

更糟的是，如果多个线程共享这个 String，另一个线程也可能在检查之后修改其内容，导致逻辑错乱。

✅ 正因为 String 不可变，我们才能确保：一旦通过校验，它的值就永远安全。

3.3 线程安全（Synchronization）

不可变性天然带来线程安全。

✅ 所有不可变对象都是线程安全的，String 也不例外。

多线程环境下，多个线程可以同时读取同一个 String 对象，完全不需要加锁。
因为没人能改它，所以不存在竞态条件（race condition）。

如果某个线程“想修改”一个 String，比如：

String s = "hello";
s = s + " world";  // 实际上是创建新对象

这并不会修改原对象，而是在字符串池中生成一个新的 String，然后把引用指向它。原对象依然安全地被其他线程使用。

⚠️ 想想看，如果 String 是可变的，每次拼接都要同步，那性能得多差？StringBuffer 都得加锁，更何况是高频使用的 String。

3.4 哈希值缓存（Hashcode Caching）

String 被大量用于 HashMap、HashSet、HashTable 等基于哈希的集合中。

这些集合依赖 hashCode() 进行桶（bucket）定位。如果每次都要重新计算哈希值，性能会大打折扣。

✅ 由于 String 不可变，它的哈希值也永远不会变。因此，String 类内部做了优化：

第一次调用 hashCode() 时计算并缓存哈希值
后续调用直接返回缓存值

源码节选：

public final class String {
    private int hash; // 默认为 0

    public int hashCode() {
        int h = hash;
        if (h == 0 && value.length > 0) {
            char val[] = value;
            for (int i = 0; i < value.length; i++) {
                h = 31 * h + val[i];
            }
            hash = h;
        }
        return h;
    }
}

✅ 这种缓存机制极大提升了 HashMap<String, V> 的性能。

❌ 反观可变字符串：如果插入时 hashCode=100，后来内容被修改，再 get 时 hashCode=200，那就找不到原来的值了 —— 直接导致数据“丢失”。

3.5 性能优化

综合来看，不可变性带来的性能提升是全方位的：

✅ 内存节省：字符串池避免重复对象
✅ 访问加速：哈希缓存减少重复计算
✅ 减少同步开销：天然线程安全，无需锁
✅ GC 友好：短生命周期字符串快速回收，常量池长期复用

由于 String 是 Java 程序中最常用的数据结构之一，它的性能优化对整个应用都有显著影响。

4. 总结

String 之所以设计为不可变，根本原因在于：

✅ 我们希望 String 引用能像基本类型一样安全传递 —— 无论是在方法间传递，还是跨线程共享，都不用担心它指向的内容会被悄悄修改。

正是这种设计，支撑起了：

字符串常量池的内存优化
敏感信息的安全保障
多线程环境下的无锁并发
哈希集合中的高效缓存

⚠️ 虽然不可变性带来了一些“看似不方便”的地方（比如频繁拼接要用 StringBuilder），但权衡之下，这是 Java 设计中最成功的决策之一。

下次面试官再问“为什么 String 不可变”，别只答“因为安全”，要把这四点（池、安全、同步、哈希）都拎出来，简单粗暴，稳稳拿捏。

Persistence

REST

Security