在Java中，String类型是用于表示字符串的类，而字符串则是字符序列，是Java编程中最常用的数据类型之一。String类是不可变的，这意味着一旦创建，字符串的值就不能改变，下面我们就来介绍一下为什么String类型是不可变的？

为什么String是不可变的？

final关键字

有人说String类型是被声明为final，意味着不能继承String类，也就是说String类型没有子类型，不能通过子类型的变化去改变String类型的行为。并且在String 类中的内部字段也被声明为final。例如用于存储字符数组的char[]字段。并且我们知道final字段在对象构造完成后就不能被改变，如下所示。

public final class String {
    private final char value[];
    // other fields and methods
}

在String构造函数中，传入的字符串数组也会被复制到内部的私有的char数组中，如下所示。

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

Arrays.copyOf 方法会创建一个新的数组，并将传入的数组内容拷贝到新数组中，从而确保了内部数组的独立性和不可变性。

哈希码缓存

在String类中缓存了哈希码(hashCode) 的计算结果，在String类中有一个 hash 字段，用于存储哈希码，并且在第一次计算后就不会再改变。所以String类型如果是可变的，那么就会导致这种缓存机制所提供的哈希码的不一致，就会导致程序出现其他的问题。

private final int hash; // default to 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;
}

字符串常量池

在Java中提供了字符串常量池来对内存结构进行优化，也就是说当一个字符串字面量被创建时，JVM 会先检查池中是否已经存在相同内容的字符串。如果存在，则返回池中的字符串引用；如果不存在，则创建新的字符串并放入池中。利用这种机制String是不可变的从而保证了这种机制的高效安全性。如下所示。

String s1 = "Hello";
String s2 = "Hello";
boolean result = (s1 == s2); // true, because s1 and s2 point to the same object in the pool

其实从上面的角度上来讲，都没有具体的说明为什么String类型是不可变的？只是告诉了大家从程序角度上的String类型不可变的原理。那么为什么被final修饰了就不可变，为什么要处理不可变呢？

为什么final修饰就是不可变的？

首先来讲，被final修饰，就不能被继承，这样就保证了不能通过继承来修改对象本身的属性。其次，String 类使用一个私有的 final char[] 数组来存储字符串内容，这个数组只能在 String 类内部访问。任何对字符串内容的操作，都是在这个数组上进行的，但数组本身不可修改。这也就导致了String的内部的不可变的特性。

另外我们发现在String类中没有提供任何的可以修改内部状态的方法，所有对于字符串内容的修改操作，如 substring()、concat()、replace()，都会返回一个新的 String 对象，而不是修改原对象。结合字符串常量池机制这个也很容易理解。

public String concat(String str) {
    int otherLen = str.length();
    if (otherLen == 0) {
        return this;
    }
    int len = value.length;
    char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen);
    str.getChars(buf, len);
    return new String(buf, true);
}

在Java中final可以修饰类、方法、属性等很多的内容，当final修饰引用类型变量时，确保引用本身不可变，但不保证引用的对象不可变。如下所示。

final char[] chars = {'a', 'b', 'c'};
chars[0] = 'z'; // 这是合法的，因为数组内容是可变的
// chars = new char[] {'x', 'y', 'z'}; // 这是非法的，因为 chars 引用是 final

在 String 类中，虽然 char[] value 是 final 的，但 String 类没有方法允许修改 value 的内容，从而间接确保了内容不可变性。

底层逻辑

从底层代码的角度上来讲，当一个类被声明为final时，编译器会在生成的字节码中标记该类为final，这在字节码中表示为ACC_FINAL标志。编译器会在编译阶段检查final类和 inal 方法是否被正确使用。如果试图继承一个 final 类或覆盖一个 final 方法，编译器会报错。

编译器在生成字节码时，会为final类和方法添加ACC_FINAL标志。这个标志在JVM加载字节码时被识别。JVM在加载字节码时，会检查这个标志并禁止任何对该类的继承。由于继承是改变类行为的主要手段，禁止继承确保了类的行为不会通过子类化被修改。

其次类的final标志在字节码层面上也是不允许被修改的，这是JVM提供的保护机制，不会尝试通过其他的方式来修改这个标识。

如下所示

public final class FinalClass {
    public final void finalMethod() {
        // method body
    }
}

生成字节码

public final class FinalClass {
  public final void finalMethod();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0010) ACC_FINAL
    Code:
      // method body
}

如下所示

public final class MyFinalClass {
    private final int myFinalVar = 10;

    public final void myFinalMethod() {
        System.out.println("This is a final method.");
    }
}

生成的字节码

public final class MyFinalClass {
  private final int myFinalVar;

  public MyFinalClass();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: aload_0
       5: bipush        10
       7: putfield      #2                  // Field myFinalVar:I
      10: return

  public final void myFinalMethod();
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #4                  // String This is a final method.
       5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
}

• ACC_FINAL 标志用于标记 MyFinalClass 类和 myFinalMethod 方法。
• myFinalVar 的赋值在构造方法中完成，确保其在对象初始化后不可改变。

当一个变量被声明为 final 时，它必须在声明时或构造器中初始化，一旦被赋值后，其引用或值就不能再被改变。

编译器在编译期间会检查 final 变量是否被正确初始化，并且确保在其生命周期中不会被重新赋值。

编译器可以对 final 变量进行优化，例如内联常量值，这在字节码级别表现为直接使用常量值而不是引用变量。字节码中没有提供重新赋值 final 变量的指令。例如，如果尝试对一个 final 变量进行重新赋值，编译器会生成错误。

通过以上解释可以看出，final 关键字通过编译时检查和运行时限制，确保了类、方法和变量在其生命周期内的不可变性。这种机制在语言层面和底层字节码中得到了严格的保证，使得 final 关键字成为实现不可变性的基础工具。

总结

综上，String 类型在 Java 中是一个设计精巧、功能强大且不可变的类。它在性能、安全性和多线程编程中提供了诸多优势，使其成为 Java 编程中不可或缺的一部分。