靈魂拷問：Java 的 substring() 是如何工作的？

在逛 programcreek 的時候，我發現了一些小而精悍的主題。比如說：Java 的substring() 方法是如何工作的？像這類靈魂拷問的主題，非常值得深入地研究一下。

另外，我想要告訴大家的是，研究的過程非常的有趣，就好像在迷宮裡探寶一樣，起初有些不知所措，但經過一番用心的摸索後，不但會找到寶藏，還會有一種茅塞頓開的感覺，非常棒。

對於絕大多數的初級程序員或者說不重視“內功”的老鳥來說，往往停留在“知其然不知其所以然”的層面上——會用，但要說底層的原理，可就只能撓撓頭雙手一攤一張問號臉了。

很長一段時間內，我也一直處於這種層面上。但我決定改變了，因為“內功”就好像是在打地基，只有把地基打好了，才能蓋起經得住考驗的高樓大廈。藉此機會，我就和大家一起，對“Java 的 substring() 是如何工作的”進行一次深入地研究。注意了，準備打怪升級了！

1、substring() 是幹嘛的

sub 是 subtract 的縮寫，因此 substring 的字面意思就是“把字符串做個減法”。這樣一分析，是不是感覺方法的命名還是蠻有講究的？

substring() 的完整寫法是 substring(int beginIndex, int endIndex)。該方法返回一個新的字符串，介於原有字符串的起始下標 beginIndex 和結尾下標 endIndex-1 之間。

String cmower = "沉默王二，一枚有趣的程序員";
cmower = cmower.substring(0, 4);
System.out.println(cmower);

程序輸出的結果為：

沉默王二

為什麼呢？我來簡單解釋一下。

Java 的下標都是從 0 開始編號的（我不確定有沒有從 1 開始的編程語言），這和我們平常生活中從 1 開始編號的習慣不同。Java 這樣做的原因如下：

Java 是基於 C 語言實現的，而 C 語言的下標是從 0 開始的——這聽起來好像是一句廢話。真正的原因是下標並不是下標，在指針（C）語言中，它實際上是一個偏移量，距離開始位置的一個偏移量。第一個元素在開頭，因此它的偏移量就為 0。

此外，還有另外一種說法。早期的計算機資源比較匱乏，0 作為起始下標相比較於 1 作為起始下標，編譯的效率更高。

知道了這層原因後，再來看上面這段代碼，就會豁然開朗。對於“沉默王二，一枚有趣的程序員”這串字符來說，“沉”的下標為 0，“默”的下標為 1，“王”的下標為 2，“二”的下標為 3，所以 cmower.substring(0, 4) 返回的字符串是“沉默王二”——包括起始下標但不包括結尾下標。

2、substring() 在被調用的時候究竟發生了什麼？

在此之前，我們已經瞭解到：字符串是不可變的，因此當調用 substring() 方法的時候，返回的其實是一個新的字符串。那麼變量 cmower 的地址引用就會發生如下圖所示的變化。

為了證明上圖是完全正確的，我們來看一下 JDK 7 中 substring() 的源碼。

public String(char value[], int offset, int count) {
	//check boundary
	this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset + count);
}
 
public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
	//check boundary
	int subLen = endIndex - beginIndex;
	return new String(value, beginIndex, subLen);
}

可以看得出，substring() 通過 new String() 返回了一個新的字符串對象，在創建新的對象時通過 Arrays.copyOfRange() 複製了一個新的字符數組。

但 JDK 6 就有所不同。說到 JDK 6，可能有些讀者表示不服，JDK 6？什麼年代了，JDK 13 都出來了好不好？但我想告訴大家的是，對比著剖析 JDK 的源碼，對學習大有裨益。

不是有那麼一句話嘛，要想了解一個成功人士，不能只關注他發跡以後的事，更要關注他之前做了什麼。

就請隨我來，看看 JDK 6 中的 substring() 的源碼吧。

//JDK 6
String(int offset, int count, char value[]) {
	this.value = value;
	this.offset = offset;
	this.count = count;
}
 
public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
	//check boundary
	return new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);
}

substring() 方法本身和 JDK 7 並沒有很大的差別，都通過 new String() 返回了一個新的字符串對象。但是 String() 這個構造函數有很大的差別，JDK 6 只是簡單地更改了一下兩個屬性（offset 和 count）的值，value 並沒有變。

PS：value 是真正存儲字符的數組，offset 是數組中第一個元素的下標，count 是數組中字符的個數。

這意味著什麼呢？

調用 substring() 的時候雖然創建了新的字符串，但字符串的值仍然指向的是內存中的同一個數組，如下圖所示。

3、為什麼 JDK 7 的構造函數發生了變化

看了 JDK 6 和 JDK 7 源碼之後，大家可能產生這樣一個疑惑：為什麼 JDK 7 要做出改變呢？大家共用同一個字符串數組不是挺好的嘛，省得佔用新的內存空間。事實上呢？

如果有一個很長很長的字符串，可以繞地球一週，當我們需要調用 substring() 截取其中很小一段字符串時，就有可能導致性能問題。由於這一小段字符串引用了整個很長很長的字符數組，就導致很長很長的這個字符數組無法被回收，內存一直被佔用著，就有可能引發內存洩露。

PS：內存洩露是指由於疏忽或錯誤造成程序未能釋放已經不再使用的內存。

那 JDK 7 出現之前，這個隱患怎麼應對呢？答案如下。

cmower = cmower.substring(0, 4) + "";

為什麼，為什麼，為什麼，多一個 “+ ""” 就能解決內存洩漏的問題？有些讀者可能不太相信，我來帶大家分析一下。

首先呢，我們通過 JAD 對字節碼反編譯一下，上面這行代碼就變成了如下內容。

 cmower = (new StringBuilder(String.valueOf(cmower.substring(0, 4)))).toString();

“+”號操作符就相當於一個語法糖，加上空的字符串後，會被 JDK 轉化為 StringBuilder 對象，該對象在處理字符串的時候會生成新的字符數組，所以 cmower = cmower.substring(0, 4) + ""; 這行代碼執行後，cmower 就指向了和 substring() 調用之前不同的字符數組。

4、最後

總結一下，JDK 7 和 JDK 6 的 substring() 方法本身並沒有多大的改變，但 String 類的構造函數有了很大的區別，JDK 7 會重新複製一份字符數組，而 JDK 6 不會，因此 JDK 6 在執行比較長的字符串 substring() 時可能會引發內存洩露的問題。

參考鏈接：
https://www.programcreek.com/2013/09/the-substring-method-in-jdk-6-and-jdk-7/

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