String最大存储字符个数

Java 中的 String 类用于表示字符序列，其理论上的最大长度是由 JVM 的实现和可用内存资源决定的。不同版本的 JDK 在实现细节上可能会有所差异，但一般来说，String 的最大长度主要受到以下两个因素的限制：

1. 数组的最大长度：在 Java 中，String 底层是由一个 char[] 数组实现的。根据 JVM 规范，数组的最大长度为 Integer.MAX_VALUE（即 2^31 - 1），这个值为 2147483647。
2. 内存限制：即使理论上数组长度可以达到 Integer.MAX_VALUE，实际应用中受限于 JVM 进程可用的内存。因此，即使字符串的最大长度可以达到 2^31 - 1 个字符，在内存不足的情况下，也无法达到这个极限。

不同 JDK 版本的对比

从 JDK 1.8 到 JDK 11，String 类底层实现发生了一些变化，但对于最大字符存储能力的影响不大。

JDK 1.8

在 JDK 1.8 中，String 类是用 char[] 实现的，每个 char 占用 2 个字节（因为 Java 使用 UTF-16 编码）。因此，最大字符串长度为 Integer.MAX_VALUE 个字符。

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    private final char value[];
}

JDK 9 和更高版本

从 JDK 9 开始，String 类的内部实现改为使用 byte[] 数组来代替 char[]，并引入了 "Compact Strings" 优化，这意味着如果字符串内容可以用单字节表示（如 ASCII 字符），则使用单字节存储。当不能用单字节表示时，仍然使用双字节存储。

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    @Stable
    private final byte[] value;
    private final byte coder; // 用于指示编码类型，LATIN1 或 UTF16
}

尽管内部表示发生了变化，但最大字符串长度依然受限于 Integer.MAX_VALUE 个字符。

实际例子

尝试创建非常大的字符串时，有可能遇到 OutOfMemoryError 或者 JVM 崩溃，但这仅仅是由于内存限制，而不是字符串长度本身的限制。

public class LargeStringExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int maxLength = Integer.MAX_VALUE;
            StringBuilder sb = new StringBuilder(maxLength);
            for (int i = 0; i < maxLength; i++) {
                sb.append('a');  //这一行就会崩掉
            }
            String largeString = sb.toString();
            System.out.println("Created string of length: " + largeString.length());
        } catch (OutOfMemoryError e) {
            System.out.println("Ran out of memory!");
        }
    }
}

小结

1. 最大长度：理论上，Java 中字符串的最大长度为 Integer.MAX_VALUE 个字符，即 2^31 - 1，约为 21 亿字符。
2. 实现差异：不同 JDK 版本在内部实现上有差异，但这不会影响字符串能存储的最大字符数量。
3. 实际限制：受限于系统提供的内存，实际能够存储的字符串长度通常远少于理论最大值。在实践中，超大字符串往往会导致 OutOfMemoryError。

StringBuilder toString方法

StringBuilder 的 toString() 方法是将 StringBuilder 中累积的字符序列转换成一个不可变的 String 对象。理解这个方法的源码有助于深入了解其内部工作原理。

JDK 源码解析

以下是 JDK 8 中 StringBuilder 类的 toString() 方法源码：

@Override
public String toString() {
    // 创建一个新的字符数组，长度为当前字符数
    return new String(value, 0, count);
}

在这里，我们可以看到 StringBuilder 的 toString() 方法主要做了以下几件事：

1. 调用了 String 的构造函数，并将当前 StringBuilder 对象中的字符数组 (value) 和有效的字符数量 (count) 传递给它。
2. new String(value, 0, count) 创建了一个新的 String 对象，该对象包含了 StringBuilder 当前存储的所有字符。

内部实现细节

为了更深入地理解这一过程，我们需要查看 String 构造函数的实现。在 JDK 8 中，对应的 String 构造函数如下：

public String(char value[], int offset, int count) {
    if (offset < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
    }
    if (count < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
    }
    // 防止超过数组界限
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset + count);
}

关键点解析

1. 参数校验：

   • 检查 offset 是否小于 0。
   • 检查 count 是否小于 0。
   • 检查 offset + count 是否超过了原始数组的长度。

   如果这些检查中任何一项未通过，则抛出 StringIndexOutOfBoundsException 异常。

2. 创建新数组：

   • 使用 Arrays.copyOfRange 方法，从原始字符数组 value 中复制从 offset 开始、长度为 count 的字符序列，形成一个新的字符数组。

3. 赋值：

   • 将新建的字符数组赋值给 this.value，即 String 对象内部的字符数组。

JDK 8 中的 String 类

在 JDK 8 中，String 类内部通过一个 char[] 数组来存储字符数据：

public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
    
    // Other fields and methods...
}

当我们调用 String 类的构造方法或其他操作时，这个 value 数组是如何被初始化、处理并最终转化为字符串内容的呢？

构造方法

让我们先看一下 String 的一个典型构造方法：

public String(char value[]) {
    this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
}

这个构造方法直接接收一个字符数组 value，并使用 Arrays.copyOf 方法复制一份新的数组赋值给 this.value。这样保证了String 的不可变性，因为外部传入的数组的任何改变不会影响到 String 对象内部的字符数据。

核心方法：toString()

尽管 String 类本身已经表示字符串，但为了符合 Java 的对象设计模式，它依然覆盖了 Object 类的 toString() 方法。事实上，对于 String 类来说，toString() 方法返回的就是它自己：

@Override
public String toString() {
    return this;
}

字符转化过程

对于一个 String 实例，当我们想得到这个字符串的具体字符内容时，可以调用以下方法：

1. charAt(int index) :

   public char charAt(int index) {
       if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
           throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
       }
       return value[index];
   }
   

2. getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) :

   public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
       if (srcBegin < 0) {
           throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcBegin);
       }
       if (srcEnd > value.length) {
           throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd);
       }
       if (srcBegin > srcEnd) {
           throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd - srcBegin);
       }
       System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
   }
   

这些方法都是直接或间接地操作内部的 value 数组，从而获取或复制内部的字符数据。

转化成显示形式

当我们希望将一个 String 对象输出到控制台或日志中时，Java 会隐式调用 toString() 方法。如果我们直接打印字符串对象，例如：

String str = "Hello, World!";
System.out.println(str);

在这种情况下，System.out.println 会调用 String.valueOf(Object) 方法，该方法实现如下：

public static String valueOf(Object obj) {
    return (obj == null) ? "null" : obj.toString();
}

由于 String 类重写了 toString() 方法且返回自身，因此上述代码实际上等效于：

System.out.println(str.toString()); // 等价于 System.out.println(str);

JDK 9及以后的 String 实现变化

在 JDK 9 及之后的版本中，String 类的内部实现发生了一些变化。JDK 9 引入了所谓的压缩字符串（Compact Strings）机制，以提升内存效率。这个机制通过使用 byte[] 数组而不是 char[] 数组来存储字符串数据，并且根据字符串内容自动选择存储格式（LATIN1 或 UTF16）。

让我们看看 JDK 9+ 中 String 类的相关部分：

字段定义

在 JDK 9 及以后，String 类内部有以下字段：

private final byte[] value;
private final byte coder;

• value 是一个字节数组，用于存储字符串的数据。
• coder 是一个字节值，指示字符串的编码（LATIN1 或 UTF16）。

构造函数示例

构造函数会根据输入的字符数组来初始化这些字段。例如：

public String(char[] value, int offset, int count) {
    // 检查并复制字符数据
    byte[] val = StringUTF16.toBytes(value, offset, count);
    this.value = val;
    this.coder = UTF16; // 假设这里根据实际数据选择编码
}

toString() 方法

尽管内部实现有所不同，但 String 类的 toString() 方法仍然保持简单直接：

@Override
public String toString() {
    return this;
}

这与 JDK 8 的实现一致：直接返回 this，因为 String 已经是字符串的具体表示。

System.arraycopy解析

System.arraycopy 是 Java 标准库中用于高效数组复制的一个本地方法。它通过调用底层的本地操作系统函数来实现高性能的内存复制。我们可以从以下几个方面详细了解其实现原理。

方法签名

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos, Object dest, int destPos, int length);

• src：源数组。
• srcPos：源数组中的起始位置。
• dest：目标数组。
• destPos：目标数组中的起始位置。
• length：要复制的元素数量。

特点

• 本地方法：使用 native 关键字，表示该方法在 Java 中声明，但由本地代码（通常是 C/C++）实现。
• 高性能：由于直接调用底层系统操作，避免了循环和逐元素复制带来的开销。

本地方法实现

因为 System.arraycopy 是本地方法，所以其实现依赖于具体的 JVM（Java 虚拟机）实现。在 OpenJDK 中，这个方法大多用 C++ 实现，为了在不同的平台上提供高性能的数组复制功能。

以下是 OpenJDK 中 System.arraycopy 的一个可能实现：

在 OpenJDK 中的实现（HotSpot VM）

在 HotSpot JVM 中，System.arraycopy 的实现位于 src/hotspot/share/prims/arraycopy.cpp 文件中。下面是一个简化示例：

JVM_ENTRY(void, JVM_ArrayCopy(JNIEnv *env, jclass ignored, jobject src, jint src_pos, jobject dst, jint dst_pos, jint length)) {
    // 检查参数有效性，如空指针、负索引、类型兼容性等
    if (src == NULL || dst == NULL) {
        THROW(vmSymbols::java_lang_NullPointerException());
    }
    if (length < 0) {
        THROW(vmSymbols::java_lang_ArrayIndexOutOfBoundsException());
    }

    // 进一步检查数组的类型和边界条件

    // 获取实际的数组指针和元素大小

    // 使用 memcpy 或 memmove 等底层函数进行内存块拷贝
    memmove((char*)dst + dst_pos * element_size, 
            (char*)src + src_pos * element_size, 
            length * element_size);

    return;
}
JVM_END

在这个实现中：

1. 参数检查：首先检查源数组和目标数组是否为 null，长度是否为负数，其他边界条件等。如果发现任何问题，会抛出相应的异常。
2. 类型和边界验证：确认源数组和目标数组的类型是否兼容，并确保复制范围不超出数组的边界。
3. 获取数组指针和元素大小：计算实际的内存地址偏移量。
4. 内存复制：使用 memmove 函数进行内存块的复制。这是一个标准的 C 库函数，用于处理重叠区域的安全内存复制。

优化与性能

System.arraycopy 的实现通常会针对不同的数据类型和平台进行优化，以确保最佳的性能。例如，对于基本数据类型的数组复制，可以使用 SIMD 指令或其他硬件加速技术。

使用示例

以下是如何在 Java 中使用 System.arraycopy 的示例代码：

public class ArrayCopyExample {
    public static void main(String[] args) {
        int[] srcArray = {1, 2, 3, 4, 5};
        int[] destArray = new int[5];
        
        // 执行数组复制
        System.arraycopy(srcArray, 0, destArray, 0, srcArray.length);
        
        // 输出目标数组
        for (int i : destArray) {
            System.out.print(i + " ");
        }
        // 输出结果: 1 2 3 4 5
    }
}

总结

• System.arraycopy 是一个本地方法：它通过本地代码实现高效的数组复制。
• 参数检查和边界验证：在进行实际的内存复制之前，进行必要的参数检查和类型验证。
• 高效内存复制：通常使用底层系统的内存复制函数（如 memmove）来实现高效的数组数据移动。
• 优化：针对不同的数据类型和平台进行专门优化，以提供最佳的性能。