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title: Java 9为什么要将String的底层实现由char数组改成了byte数组?
shortTitle: String的底层实现为什么由char改成了byte?
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  - Java重要知识点
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# 4.11 String的底层实现为什么由char改成了byte?

“二哥，最近在我阅读 Java 11 的字符串源码，发现和 Java 8 的有很大不同。”三妹的脸上洋溢着青春的微笑😊，甜美地说道：“String 类的源码已经由 `char[]` 优化为了 `byte[]` 来存储字符串内容，为什么要这样做呢？”

“开门见山地说，从 `char[]` 到 `byte[]`，最主要的目的是**节省字符串占用的内存空间**。内存占用减少带来的另外一个好处，就是 GC 次数也会减少。”我用右手的大拇指凑了一下眼镜解释道。

### 为什么要优化？

我们使用 `jmap -histo:live pid | head -n 10` 命令就可以查看到堆内对象示例的统计信息、查看 ClassLoader 的信息以及 finalizer 队列。

以我正在运行着的[编程喵](https://github.com/itwanger/coding-more)项目实例（基于 Java 8）来说，结果是这样的。

![](https://cdn.tobebetterjavaer.com/tobebetterjavaer/images/basic-extra-meal/jdk9-char-byte-string-d826ce88-bbbe-47a3-a1a9-4dd86dd3632f.png)

其中 String 对象有 17638 个，占用了 423312 个字节的内存，排在第三位。

由于 Java 8 的 String 内部实现仍然是 `char[]`，所以我们可以看到内存占用排在第 1 位的就是 char 数组。

`char[]` 对象有 17673 个，占用了 1621352 个字节的内存，排在第一位。

那也就是说优化 String 节省内存空间是非常有必要的，如果是去优化一个使用频率没有 String 这么高的类，就没什么必要，对吧？

### 为什么能节省内存空间？

众所周知，char 类型的数据在 JVM 中是占用两个字节的，并且使用的是 UTF-8 [编码](https://tobebetterjavaer.com/basic-extra-meal/java-unicode.html)，其值范围在 '\u0000'（0）和 '\uffff'（65,535）（包含）之间。

也就是说，使用 `char[]` 来表示 String 就会导致，即使 String 中的字符只用一个字节就能表示，也得占用两个字节。

>PS：在计算机中，单字节字符通常指的是一个字节（8位）可以表示的字符，而双字节字符则指需要两个字节（16位）才能表示的字符。单字节字符和双字节字符的定义是相对的，不同的编码方式对应的单字节和双字节字符集也不同。常见的单字节字符集有ASCII（美国信息交换标准代码）、ISO-8859（国际标准化组织标准编号8859）、GBK（汉字内码扩展规范）、GB2312（中国国家标准，现在已经被GBK取代），像拉丁字母、数字、标点符号、控制字符都是单字节字符。双字节字符集包括 Unicode、UTF-8、GB18030（中国国家标准），中文、日文、韩文、拉丁文扩展字符属于双字节字符。

当然了，仅仅将 `char[]` 优化为 `byte[]` 是不够的，还要配合 Latin-1 的编码方式，该编码方式是用单个字节来表示字符的，这样就比 UTF-8 编码节省了更多的空间。

换句话说，对于：

```java
String name = "jack";
```

这样的，使用 Latin-1 编码，占用 4 个字节就够了。

但对于：

```java
String name = "小二";
```

这种，木的办法，只能使用 UTF16 来编码。

针对 JDK 9 的 String 源码里，为了区别编码方式，追加了一个 coder 字段来区分。

```java
/**
 * The identifier of the encoding used to encode the bytes in
 * {@code value}. The supported values in this implementation are
 *
 * LATIN1
 * UTF16
 *
 * @implNote This field is trusted by the VM, and is a subject to
 * constant folding if String instance is constant. Overwriting this
 * field after construction will cause problems.
 */
private final byte coder;
```

Java 会根据字符串的内容自动设置为相应的编码，要么 Latin-1 要么 UTF16。

也就是说，从 `char[]` 到 `byte[]`，**中文是两个字节，纯英文是一个字节，在此之前呢，中文是两个字节，英文也是两个字节**。

### 为什么用UTF-16而不用UTF-8呢？

在 UTF-8 中，0-127 号的字符用 1 个字节来表示，使用和 ASCII 相同的编码。只有 128 号及以上的字符才用 2 个、3 个或者 4 个字节来表示。

- 如果只有一个字节，那么最高的比特位为 0；
- 如果有多个字节，那么第一个字节从最高位开始，连续有几个比特位的值为 1，就使用几个字节编码，剩下的字节均以 10 开头。

具体的表现形式为：

- 0xxxxxxx：一个字节；
- 110xxxxx 10xxxxxx：两个字节编码形式（开始两个 1）；
- 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：三字节编码形式（开始三个 1）；
- 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：四字节编码形式（开始四个 1）。

也就是说，UTF-8 是变长的，那对于 String 这种有随机访问方法的类来说，就很不方便。所谓的随机访问，就是charAt、subString这种方法，随便指定一个数字，String要能给出结果。如果字符串中的每个字符占用的内存是不定长的，那么进行随机访问的时候，就需要从头开始数每个字符的长度，才能找到你想要的字符。

那三妹可能会问，UTF-16也是变长的呢？一个字符还可能占用 4 个字节呢？

的确，UTF-16 使用 2 个或者 4 个字节来存储字符。

- 对于 Unicode 编号范围在 0 ~ FFFF 之间的字符，UTF-16 使用两个字节存储。
- 对于 Unicode 编号范围在 10000 ~ 10FFFF 之间的字符，UTF-16 使用四个字节存储，具体来说就是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于 D800~DBFF 之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位）用一个值介于 DC00~DFFF 之间的双字节存储。

但是在 Java 中，一个字符（char）就是 2 个字节，占 4 个字节的字符，在 Java 里也是用两个 char 来存储的，而String的各种操作，都是以Java的字符（char）为单位的，charAt是取得第几个char，subString取的也是第几个到第几个char组成的子串，甚至length返回的都是char的个数。

所以UTF-16在Java的世界里，就可以视为一个定长的编码。

>参考链接：[https://www.zhihu.com/question/447224628](https://www.zhihu.com/question/447224628)

“好了，三妹，那关于Java 9为什么要将String的底层实现由char数组改成了byte数组就聊到这里吧。”我对三妹说，“有时候，读一读源码确实能成长很多，多问问为什么，挺好！”

“是啊，任何知识想要深入去学习，就能挖掘出来很多。”三妹说，“比如说今天聊到的UTF-16和UTF-8。”

“好了，我要去回答星球球友的提问了，你可以休息会，比如说听听 H.O.T 的歌，真不错。”

“哈哈，没想到，哥你也是个 H.O.T 的粉丝啊！”

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