引言
在本章中，我们将对Java中的字符串（String）进行初步了解，探讨它在Java程序设计中的核心地位。
Java字符串概述
字符串是编程中经常使用的数据结构，用于表示文本数据。在Java中，字符串是一个不可变的序列的字符。
示例：字符串的创建
String greeting = "Hello, World!";
System.out.println(greeting);
在这个示例中，我们创建了一个字符串并打印它。
字符串在Java中的重要性
字符串是Java编程中不可或缺的一部分，用于各种场景，包括但不限于用户输入、配置信息、文件路径等。
字符串与基本数据类型
Java的字符串与基本数据类型（如int、double等）不同，它属于对象类型。
示例：基本类型与字符串的比较
int num = 10;
String str = "10";
// 基本类型之间的比较
if (num == 10) {
System.out.println("The number is ten.");
}
// 字符串之间的比较
if (str.equals("10")) {
System.out.println("The string represents ten.");
}
在这个示例中，我们展示了基本类型和字符串之间的比较。
字符串的字面量
在Java中，用双引号括起来的字符序列被称为字符串字面量。
示例：字符串字面量
String literal = "This is a string literal.";
System.out.println(literal);
这个示例展示了字符串字面量的创建。
字符串的不可变性
在Java中，字符串被设计为不可变的（Immutable），这意味着一旦创建，就不能更改字符串的内容。
不可变对象的概念
不可变对象是指其状态（内部状态）不能被修改的对象。对于字符串而言，这意味着字符串的字符序列在创建后不能被改变。
示例：尝试修改字符串
String str = "hello";
str = str + " world"; // 实际上创建了一个新的字符串对象
System.out.println(str); // 输出: hello world
在这个示例中，尽管看起来修改了str，但实际上是创建了一个新的字符串对象。
不可变字符串的优势
- 安全性：字符串通常用于标识，不可变性确保了它们作为标识的安全性。
- 线程安全：不可变对象天然线程安全，无需额外同步。
- 易于管理：字符串常量池的实现基于不可变性。
示例：字符串作为标识
String key1 = "username";
String key2 = "username";
System.out.println(key1 == key2); // 输出: true，因为指向同一个对象
在这个示例中，key1和key2指向同一个对象。
不可变字符串的劣势
- 性能问题：在某些情况下，如字符串拼接，可能需要创建多个临时字符串对象，影响性能。
- 内存使用：不可变性可能导致内存使用增加，尤其是在大量修改字符串内容的场景。
示例：字符串拼接的性能问题
String result = "";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
result += i; // 每次循环都可能创建新的字符串对象
}
System.out.println(result);
在这个示例中，每次循环都可能创建一个新的字符串对象。
字符串的创建和赋值
在Java中，字符串的创建和赋值是常见的操作。理解其背后的机制对于编写高效的代码至关重要。
使用双引号和new String()的区别
在Java中，可以使用双引号直接创建字符串字面量，或者使用new String()来创建字符串对象。
示例：使用双引号创建字符串
String str1 = "Hello, World!";
这种方式会使用字符串常量池中的对象，如果常量池中已存在相同的字符串，则会直接引用。
示例：使用new String()创建字符串
String str2 = new String("Hello, World!");
这种方式会创建一个新的字符串对象，即使常量池中已存在相同的字符串。
字符串常量池的工作原理
字符串常量池是Java堆内存中的一个特殊区域，用于存储字符串字面量和等价的字符串表达式。
示例：字符串常量池的效果
String str1 = "Hello";
String str2 = "Hello";
System.out.println(str1 == str2); // 输出: true，表明两者引用相同对象
在这个示例中，str1和str2引用的是相同的对象。
字符串的国际化
字符串常量池也支持字符串的国际化，允许根据用户的地区设置来显示不同的文本。
示例：使用ResourceBundle进行国际化
ResourceBundle bundle = ResourceBundle.getBundle("messages", locale);
String message = bundle.getString("greeting");
System.out.println(message);
在这个示例中，messages是一个属性文件，包含了不同语言的字符串。
字符串的连接
字符串连接是常见的操作，但需要理解其性能影响。
示例：字符串连接
String result = "";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
result += i; // 每次循环都可能创建新的字符串对象
}
在这个示例中，每次循环都可能创建一个新的字符串对象，影响性能。
更好的做法：使用StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
sb.append(i);
}
String result = sb.toString();
使用StringBuilder可以提高字符串连接的性能。
字符串的操作
字符串是Java中使用最频繁的数据类型之一。本章将介绍字符串的一些基本操作，包括长度获取、子串、拼接、比较等。
字符串长度
可以使用length()方法获取字符串的长度。
示例：获取字符串长度
String str = "Hello, World!";
int length = str.length();
System.out.println("Length of the string: " + length);
子串操作
使用substring(int beginIndex)或substring(int beginIndex, int endIndex)获取字符串的子串。
示例：获取子串
String str = "Hello, World!";
String sub = str.substring(7, 12); // 从索引7开始到11结束
System.out.println(sub); // 输出: World
字符串拼接
使用concat(String str)方法或+操作符来拼接字符串。
示例：字符串拼接
String part1 = "Hello";
String part2 = ", World!";
String result = part1.concat(part2);
System.out.println(result); // 输出: Hello, World!
// 或者使用+
String result2 = part1 + part2;
System.out.println(result2); // 输出: Hello, World!
字符串比较
使用equals(Object another)或equalsIgnoreCase(String another)方法来比较两个字符串的内容。
示例：字符串比较
String str1 = "hello";
String str2 = "Hello";
boolean areEqual = str1.equalsIgnoreCase(str2);
System.out.println("Are the strings equal (ignoring case)? " + areEqual); // 输出: true
查找和替换
使用indexOf(int ch)、indexOf(String str)、replace(char oldChar, char newChar)等方法进行查找和替换操作。
示例：查找和替换
String str = "Hello, World!";
int index = str.indexOf("World");
System.out.println("Index of 'World': " + index); // 输出: 7
String replaced = str.replace("World", "Java");
System.out.println(replaced); // 输出: Hello, Java!
字符串分割
使用split(Pattern)或split(String regex)方法将字符串分割为数组或列表。
示例：字符串分割
String str = "item1,item2,item3";
String[] items = str.split(",");
for (String item : items) {
System.out.println(item);
}
// 输出:
// item1
// item2
// item3
字符串的格式化
在Java中，格式化字符串是一种常见的操作，用于创建具有特定格式的字符串，例如设置日期格式、数值格式等。
使用String.format()
String.format()方法是一个灵活的字符串格式化工具，它使用格式化字符串和参数来生成结果。
示例：使用String.format()
String name = "Alice";
int age = 30;
String formatted = String.format("Name: %s, Age: %d", name, age);
System.out.println(formatted); // 输出: Name: Alice, Age: 30
格式化占位符
格式化占位符指定了如何将值插入到字符串中。常见的占位符包括：
%s：字符串%d或%i：整数%f：浮点数%.xf：小数点后x位的浮点数
示例：不同的格式化占位符
double pi = 3.14159;
String circleArea = String.format("Circle area: %.2f", Math.PI * 10 * 10);
System.out.println(circleArea); // 输出: Circle area: 314.16
使用printf()和sprintf()
除了String.format()，System.out.printf()和System.out.sprintf()也可以用于格式化字符串。
示例：使用printf()
System.out.printf("Current date: %tB %te, %tY\n", Calendar.getInstance().getTime());
格式化日期和时间
Java 8引入了新的日期和时间API，可以使用java.time.format.DateTimeFormatter进行更现代的日期格式化。
示例：使用DateTimeFormatter
import java.time.LocalDate;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
LocalDate date = LocalDate.now();
DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
String formattedDate = date.format(formatter);
System.out.println("Formatted date: " + formattedDate); // 输出: Formatted date: 2024-01-01
格式化数值
数值格式化涉及到千位分隔符、小数点、货币符号等。
示例：使用NumberFormat
import java.text.NumberFormat;
double amount = 12345.67;
NumberFormat currencyFormatter = NumberFormat.getCurrencyInstance();
String formattedAmount = currencyFormatter.format(amount);
System.out.println(formattedAmount); // 输出: $12,345.67
正则表达式与字符串
正则表达式是处理字符串数据的强大工具，它在Java中通过java.util.regex包提供支持。
正则表达式基础
正则表达式使用单个字符串来描述、匹配或者变换一系列符合某个句法规则的字符串。
示例：简单的正则表达式匹配
String input = "Version 2.0.1 is available";
boolean isVersion = input.matches(".*\\d+\\.\\d+\\.\\d+.*");
System.out.println("Is version format: " + isVersion); // 输出: Is version format: true
Java中的正则表达式API
java.util.regex包中的Pattern和Matcher类是使用正则表达式的核心。
示例：使用Pattern和Matcher
String data = "John Doe <john.doe@example.com>";
Pattern pattern = Pattern.compile("\\b[A-Za-z0-9._%+-]+@[A-Za-z0-9.-]+\\.[A-Z]{2,6}\\b");
Matcher matcher = pattern.matcher(data);
if (matcher.find()) {
System.out.println("Found email: " + matcher.group());
}
常用正则表达式操作
- 查找：确定一个模式是否在字符串中出现。
- 替换：将字符串中符合某个模式的子串替换成另一个子串。
- 分割：使用模式作为分隔符来分割字符串。
示例：正则表达式的替换操作
String text = "Hello 100, World 200";
String replaced = text.replaceAll("\\d+", "#");
System.out.println(replaced); // 输出: Hello #, World #
正则表达式的复杂性
正则表达式可以非常简洁地表达复杂的匹配规则，但也可能变得难以理解和维护。
示例：复杂的正则表达式
String ipPattern =
"((25[0-5]|2[0-4][0-9]|[01]?[0-9][0-9]?)\\.){3}" +
"(25[0-5]|2[0-4][0-9]|[01]?[0-9][0-9]?)";
Pattern ipPatternCompiled = Pattern.compile(ipPattern);
性能考虑
正则表达式的使用应考虑性能，特别是对于大量数据的处理。
示例：性能考虑
String longText = generateLongText(); // 假设这是一个很长的文本
long startTime = System.currentTimeMillis();
Pattern.compile("\\w+").matcher(longText).find();
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Time taken: " + (endTime - startTime) + "ms");
字符串的编码
字符串编码是程序设计中一个重要的概念，尤其是在处理国际化应用程序时。
ASCII编码
ASCII（美国标准信息交换码）是最基本的编码系统，用于表示现代英语的字符。
示例：ASCII编码范围
char asciiChar = 'A';
System.out.println((int)asciiChar); // 输出: 65，ASCII码表中的A
Unicode编码
Unicode是一个更广泛的字符集，它包含了世界上大多数语言的字符。
示例：Unicode字符
char unicodeChar = '你'; // 中文“你”
System.out.println((int)unicodeChar); // 输出: Unicode码点
UTF-8编码
UTF-8是一种Unicode的实现方式，它是一种变长编码，可以用于网络传输。
示例：UTF-8编码字符串
String utf8String = "Hello, 世界";
byte[] utf8Bytes = utf8String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
System.out.println(java.util.Arrays.toString(utf8Bytes));
字符串编码转换
Java允许将字符串以不同的编码方式转换为字节序列。
示例：编码转换
String str = "Hello, World!";
byte[] bytesInUTF8 = str.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
byte[] bytesInASCII = str.getBytes(StandardCharsets.US_ASCII);
// 将字节序列转换回字符串
String fromUTF8 = new String(bytesInUTF8, StandardCharsets.UTF_8);
String fromASCII = new String(bytesInASCII, StandardCharsets.US_ASCII);
编码与平台依赖性
字符串的默认编码方式可能依赖于平台，因此跨平台的编码操作应该明确指定编码方式。
示例：避免平台依赖性
String content = "Some text that may contain special characters";
byte[] bytes = content.getBytes(StandardCharsets.UTF_8); // 明确使用UTF-8编码
国际化和本地化
在国际化和本地化（i18n和l10n）的应用中，字符串编码的正确处理尤为重要。
示例：国际化资源文件
# messages_en.properties
greeting=Hello, World!
# messages_zh.properties
greeting=你好，世界！
字符串的性能优化
字符串操作是Java程序中常见的活动，但不当的字符串使用会影响程序的性能。本章将探讨一些性能优化技巧。
字符串连接的性能
在循环中使用+操作符连接字符串会导致性能问题，因为每次连接都会创建一个新的字符串对象。
示例：低效的字符串连接
String result = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
result += i; // 低效，每次循环都创建新对象
}
更好的做法：使用StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
sb.append(i);
}
String result = sb.toString();
StringBuilder与StringBuffer
StringBuilder和StringBuffer都可以用来构建和修改字符串，但它们在线程安全性方面有所不同。
示例：使用StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
sb.append("Hello");
sb.append(", World");
String str = sb.toString();
示例：使用StringBuffer
StringBuffer sb = new StringBuffer();
sb.append("Hello");
sb.append(", World");
String str = sb.toString();
字符串池的使用
字符串池是Java中用于存储字符串字面量和相同内容的字符串的地方。使用字符串池可以减少内存消耗。
示例：字符串池
String str1 = "hello";
String str2 = "hello";
System.out.println(str1 == str2); // 输出: true，表明两者引用相同对象
避免不必要的字符串创建
在某些情况下，可以通过重用变量或使用其他数据结构来避免创建不必要的字符串。
示例：避免不必要的字符串创建
String str = "example";
char[] charArray = new char[str.length()];
str.getChars(charArray, 0);
// 使用charArray而不是创建新的字符串
字符串的不可变性
字符串的不可变性意味着它们是安全的，可以被共享，但同时也意味着每次修改都需要创建新的对象。
示例：字符串的不可变性
String base = "example";
String modified = base + "_string"; // 创建了新字符串
