一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解

碎碎念

这是一道老生常谈的问题了,字符串是不仅是 Java 中非常重要的一个对象,它在其他语言中也存在。比如 C++、Visual Basic、C# 等。字符串使用 String 来表示,字符串一旦被创建出来就不会被修改,当你想修改 StringBuffer 或者是 StringBuilder,出于效率的考量,虽然 String 可以通过 + 来创建多个对象达到字符串拼接的效果,但是这种拼接的效率相比 StringBuffer 和 StringBuilder,那就是心有余而力不足了。本篇文章我们一起来深入了解一下这三个对象。

简单认识这三个对象

String

String 表示的就是 Java 中的字符串,我们日常开发用到的使用 “” 双引号包围的数都是字符串的实例。String 类其实是通过 char 数组来保存字符串的。下面是一个典型的字符串的声明

String s = "abc";

上面你创建了一个名为 abc 的字符串。

字符串是恒定的,一旦创建出来就不会被修改,怎么理解这句话?我们可以看下 String 源码的声明

一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解

告诉我你看到了什么?String 对象是由final 修饰的,一旦使用 final 修饰的类不能被继承、方法不能被重写、属性不能被修改。而且 String 不只只有类是 final 的,它其中的方法也是由 final 修饰的,换句话说,Sring 类就是一个典型的 Immutable 类。也由于 String 的不可变性,类似字符串拼接、字符串截取等操作都会产生新的 String 对象。

所以请你告诉我下面

String s1 = "aaa";
String s2 = "bbb" + "ccc";
String s3 = s1 + "bbb";
String s4 = new String("aaa");

分别创建了几个对象?

一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解
  • 首先第一个问题,s1 创建了几个对象。字符串在创建对象时,会在常量池中看有没有 aaa 这个字符串;如果没有此时还会在常量池中创建一个;如果有则不创建。我们默认是没有的情况,所以会创建一个对象。下同。
  • 那么 s2 创建了几个对象呢?是两个对象还是一个对象?我们可以使用 javap -c 看一下反汇编代码
public class com.sendmessage.api.StringDemo {
  public com.sendmessage.api.StringDemo();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // 执行对象的初始化方法
       4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: ldc           #2                  // 将 String aaa 执行入栈操作
       2: astore_1													# pop出栈引用值,将其(引用)赋值给局部变量表中的变量 s1
       3: ldc           #3                  // String bbbccc
       5: astore_2
       6: return
}


编译器做了优化 String s2 = “bbb” + “ccc” 会直接被优化为 bbbccc。也就是直接创建了一个 bbbccc 对象。

javap 是 jdk 自带的反汇编工具。它的作用就是根据 class 字节码文件,反汇编出当前类对应的 code 区(汇编指令)、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等等信息。

javap -c 就是对代码进行反汇编操作。

  • 下面来看 s3,s3 创建了几个对象呢?是一个还是两个?还是有其他选项?我们使用 javap -c 来看一下
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我们可以看到,s3 执行 + 操作会创建一个 StringBuilder 对象然后执行初始化。执行 + 号相当于是执行 new StringBuilder.append() 操作。所以

String s3 = s1 + "bbb";

==
  
String s3 = new StringBuilder().append(s1).append("bbb").toString();

// Stringbuilder.toString() 方法也会创建一个 String 

public String toString() {
  // Create a copy, don't share the array
  return new String(value, 0, count);
}


所以 s3 执行完成后,相当于创建了 3 个对象。

  • 下面来看 s4 创建了几个对象,在创建这个对象时因为使用了 new 关键字,所以肯定会在堆中创建一个对象。然后会在常量池中看有没有 aaa 这个字符串;如果没有此时还会在常量池中创建一个;如果有则不创建。所以可能是创建一个或者两个对象,但是一定存在两个对象。
一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解

说完了 String 对象,我们再来说一下 StringBuilder 和 StringBuffer 对象。

上面的 String 对象竟然和 StringBuilder 产生了千丝万缕的联系。不得不说 StringBuilder 是一个牛逼的对象。String 对象底层是使用了 StringBuilder 对象的 append 方法进行字符串拼接的,不由得对 StringBuilder 心生敬意。

一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解

不由得我们想要真正认识一下这个 StringBuilder 大佬,但是在认识大佬前,还有一个大 boss 就是 StringBuffer 对象,这也是你不得不跨越的鸿沟。

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StringBuffer

StringBuffer 对象 代表一个可变的字符串序列,当一个 StringBuffer 被创建以后,通过 StringBuffer 的一系列方法可以实现字符串的拼接、截取等操作。一旦通过 StringBuffer 生成了最终想要的字符串后,就可以调用其 toString 方法来生成一个新的字符串。例如

StringBuffer b = new StringBuffer("111");
b.append("222");
System.out.println(b);

我们上面提到 + 操作符连接两个字符串,会自动执行 toString() 方法。那你猜 StringBuffer.append 方法会自动调用吗?直接看一下反汇编代码不就完了么?

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上图左边是手动调用 toString 方法的代码,右图是没有调用 toString 方法的代码,可以看到,toString() 方法不像 + 一样自动被调用。

StringBuffer 是线程安全的,我们可以通过它的源码可以看出

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StringBuffer 在字符串拼接上面直接使用 synchronized 关键字加锁,从而保证了线程安全性。

StringBuilder

最后来认识大佬了,StringBuilder 其实是和 StringBuffer 几乎一样,只不过 StringBuilder 是非线程安全的。并且,为什么 + 号操作符使用 StringBuilder 作为拼接条件而不是使用 StringBuffer 呢?我猜测原因是加锁是一个比较耗时的操作,而加锁会影响性能,所以 String 底层使用 StringBuilder 作为字符串拼接。

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深入理解 String、StringBuilder、StringBuffer

我们上面说到,使用 + 连接符时,JVM 会隐式创建 StringBuilder 对象,这种方式在大部分情况下并不会造成效率的损失,不过在进行大量循环拼接字符串时则需要注意。如下这段代码

String s = "aaaa";
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    s += "bbb";
}

这是一段很普通的代码,只不过对字符串 s 进行了 + 操作,我们通过反编译代码来看一下。

// 经过反编译后
String s = "aaa";
for(int i = 0; i < 10000; i++) {
     s = (new StringBuilder()).append(s).append("bbb").toString();    
}

你能看出来需要注意的地方了吗?在每次进行循环时,都会创建一个 StringBuilder 对象,每次都会把一个新的字符串元素 bbb拼接到 aaa 的后面,所以,执行几次后的结果如下

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每次都会创建一个 StringBuilder ,并把引用赋给 StringBuilder 对象,因此每个 StringBuilder 对象都是强引用, 这样在创建完毕后,内存中就会多了很多 StringBuilder 的无用对象。了解更多关于引用的知识,请看

https://mp.weixin.qq.com/s/ZflBpn2TBzTNv_-G-zZxNg

这样由于大量 StringBuilder 创建在堆内存中,肯定会造成效率的损失,所以在这种情况下建议在循环体外创建一个 StringBuilder 对象调用 append() 方法手动拼接。

例如

StringBuilder builder = new StringBuilder("aaa");
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    builder.append("bbb");
}
builder.toString();

这段代码中,只会创建一个 builder 对象,每次循环都会使用这个 builder 对象进行拼接,因此提高了拼接效率。

从设计角度理解

我们前面说过,String 类是典型的 Immutable 不可变类实现,保证了线程安全性,所有对 String 字符串的修改都会构造出一个新的 String 对象,由于 String 的不可变性,不可变对象在拷贝时不需要额外的复制数据。

String 在 JDK1.6 之后提供了 intern() 方法,intern 方法是一个 native 方法,它底层由 C/C++ 实现,intern 方法的目的就是为了把字符串缓存起来,在 JDK1.6 中却不推荐使用 intern 方法,因为 JDK1.6 把方法区放到了永久代(Java 堆的一部分),永久代的空间是有限的,除了 Fullgc 外,其他收集并不会释放永久代的存储空间。JDK1.7 将字符串常量池移到了堆内存 中,

下面我们来看一段代码,来认识一下 intern 方法

public static void main(String[] args) {

  String a = new String("ab");
  String b = new String("ab");
  String c = "ab";
  String d = "a";
  String e = new String("b");
  String f = d + e;

  System.out.println(a.intern() == b);
  System.out.println(a.intern() == b.intern());
  System.out.println(a.intern() == c);
  System.out.println(a.intern() == f);

}

上述的执行结果是什么呢?我们先把答案贴出来,以防心急的同学想急于看到结果,他们的答案是

falsetruetruefalse

和你预想的一样吗?为什么会这样呢?我们先来看一下 intern 方法的官方解释

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这里你需要知道 JVM 的内存模型

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  • 虚拟机栈 : Java 虚拟机栈是线程私有的数据区,Java 虚拟机栈的生命周期与线程相同,虚拟机栈也是局部变量的存储位置。方法在执行过程中,会在虚拟机栈种创建一个 栈帧(stack frame)。
  • 本地方法栈: 本地方法栈也是线程私有的数据区,本地方法栈存储的区域主要是 Java 中使用 native 关键字修饰的方法所存储的区域
  • 程序计数器:程序计数器也是线程私有的数据区,这部分区域用于存储线程的指令地址,用于判断线程的分支、循环、跳转、异常、线程切换和恢复等功能,这些都通过程序计数器来完成。
  • 方法区:方法区是各个线程共享的内存区域,它用于存储虚拟机加载的 类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  • 堆: 堆是线程共享的数据区,堆是 JVM 中最大的一块存储区域,所有的对象实例都会分配在堆上
  • 运行时常量池:运行时常量池又被称为 Runtime Constant Pool,这块区域是方法区的一部分,它的名字非常有意思,它并不要求常量一定只有在编译期才能产生,也就是并非编译期间将常量放在常量池中,运行期间也可以将新的常量放入常量池中,String 的 intern 方法就是一个典型的例子。

在 JDK 1.6 及之前的版本中,常量池是分配在方法区中永久代(Parmanent Generation)内的,而永久代和 Java 堆是两个完全分开的区域。如果字符串常量池中已经包含一个等于此 String 对象的字符串,则返回常量池中这个字符串的 String 对象;否则,将此 String 对象包含的字符串添加到常量池中,并且返回此 String 对象的引用。

一些人把方法区称为永久代,这种说法不准确,仅仅是 Hotspot 虚拟机设计团队选择使用永久代来实现方法区而已。

从JDK 1.7开始去永久代,字符串常量池已经被转移至 Java 堆中,开发人员也对 intern 方法做了一些修改。因为字符串常量池和 new 的对象都存于 Java 堆中,为了优化性能和减少内存开销,当调用 intern 方法时,如果常量池中已经存在该字符串,则返回池中字符串;否则直接存储堆中的引用,也就是字符串常量池中存储的是指向堆里的对象。

所以我们对上面的结论进行分析

String a = new String("ab");
String b = new String("ab");

System.out.println(a.intern() == b);

输出什么? false,为什么呢?画一张图你就明白了(图画的有些问题,栈应该是后入先出,所以 b 应该在 a 上面,不过不影响效果)

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a.intern 返回的是常量池中的 ab,而 b 是直接返回的是堆中的 ab。地址不一样,肯定输出 false

所以第二个

System.out.println(a.intern() == b.intern());

也就没问题了吧,它们都返回的是字符串常量池中的 ab,地址相同,所以输出 true

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然后来看第三个

System.out.println(a.intern() == c);

图示如下

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a 不会变,因为常量池中已经有了 ab ,所以 c 不会再创建一个 ab 字符串,这是编译器做的优化,为了提高效率。

下面来看最后一个

System.out.println(a.intern() == f);

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String

首先来看一下 String 类在继承树的什么位置、实现了什么接口、父类是谁,这是源码分析的几大重要因素。

String 没有继承任何接口,不过实现了三个接口,分别是 **Serializable、Comparable、CharSequence **接口

  • Serializable :这个序列化接口没有任何方法和域,仅用于标识序列化的语意。
  • Comparable:实现了 Comparable 的接口可用于内部比较两个对象的大小
  • CharSequence:字符串序列接口,CharSequence 是一个可读的 char 值序列,提供了 length(), charAt(int index), subSequence(int start, int end) 等接口,StringBuilder 和 StringBuffer 也继承了这个接口

重要属性

字符串是什么,字!符!串! 你品,你细品。你会发现它就是一连串字符组成的串。

也就是说

String str = "abc"; 

// === 

char data[] = {'a', 'b', 'c'};
String str = new String(data);

原来这么回事啊!

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所以,String 中有一个用于存储字符的 char 数组 value[],这个数组存储了每个字符。另外一个就是 hash 属性,它用于缓存字符串的哈希码。因为 String 经常被用于比较,比如在 HashMap 中。如果每次进行比较都重新计算其 hashcode 的值的话,那无疑是比较麻烦的,而保存一个 hashcode 的缓存无疑能优化这样的操作。

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String 可以通过许多途径创建,也可以根据 Stringbuffer 和 StringBuilder 进行创建。

一篇与众不同的 String、StringBuilder 和 StringBuffer 详解

毕竟我们本篇文章探讨的不是源码分析的文章,所以涉及到的源码不会很多。

除此之外,String 还提供了一些其他方法

  • charAt :返回指定位置上字符的值
  • getChars: 复制 String 中的字符到指定的数组
  • equals: 用于判断 String 对象的值是否相等
  • indexOf : 用于检索字符串
  • substring: 对字符串进行截取
  • concat: 用于字符串拼接,效率高于 +
  • replace:用于字符串替换
  • match:正则表达式的字符串匹配
  • contains: 是否包含指定字符序列
  • split: 字符串分割
  • join: 字符串拼接
  • trim: 去掉多余空格
  • toCharArray: 把 String 对象转换为字符数组
  • valueOf: 把对象转换为字符串

StringBuilder

StringBuilder 类表示一个可变的字符序列,我们知道,StringBuilder 是非线程安全的容器,一般适用于单线程场景中的字符串拼接操作,下面我们就来从源码角度看一下 StringBuilder

首先我们来看一下 StringBuilder 的定义

public final class StringBuilder
    extends AbstractStringBuilder
    implements java.io.Serializable, CharSequence {...}

StringBuilder 被 final 修饰,表示 StringBuilder 是不可被继承的,StringBuilder 类继承于 AbstractStringBuilder类。实际上,AbstractStringBuilder 类具体实现了可变字符序列的一系列操作,比如:append()、insert()、delete()、replace()、charAt() 方法等。

StringBuilder 实现了 2 个接口

  • Serializable 序列化接口,表示对象可以被序列化。
  • CharSequence 字符序列接口,提供了几个对字符序列进行只读访问的方法,例如 length()、charAt()、subSequence()、toString() 方法等。

StringBuilder 使用 AbstractStringBuilder 类中的两个变量作为元素

char[] value; // 存储字符数组

int count; // 字符串使用的计数

StringBuffer

StringBuffer 也是继承于 AbstractStringBuilder ,使用 value 和 count 分别表示存储的字符数组和字符串使用的计数,StringBuffer 与 StringBuilder 最大的区别就是 StringBuffer 可以在多线程场景下使用,StringBuffer 内部有大部分方法都加了 synchronized 锁。在单线程场景下效率比较低,因为有锁的开销。

StringBuilder 和 StringBuffer 的扩容问题

我相信这个问题很多同学都没有注意到吧,其实 StringBuilder 和 StringBuffer 存在扩容问题,先从 StringBuilder 开始看起

首先先注意一下 StringBuilder 的初始容量

public StringBuilder() {
  super(16);
}

StringBuilder 的初始容量是 16,当然也可以指定 StringBuilder 的初始容量。

在调用 append 拼接字符串,会调用 AbstractStringBuilder 中的 append 方法

public AbstractStringBuilder append(String str) {
  if (str == null)
    return appendNull();
  int len = str.length();
  ensureCapacityInternal(count + len);
  str.getChars(0, len, value, count);
  count += len;
  return this;
}

上面代码中有一个 ensureCapacityInternal 方法,这个就是扩容方法,我们跟进去看一下

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
  // overflow-conscious code
  if (minimumCapacity - value.length > 0) {
    value = Arrays.copyOf(value,
                          newCapacity(minimumCapacity));
  }
}

这个方法会进行判断,minimumCapacity 就是字符长度 + 要拼接的字符串长度,如果拼接后的字符串要比当前字符长度大的话,会进行数据的复制,真正扩容的方法是在 newCapacity 中

private int newCapacity(int minCapacity) {
  // overflow-conscious code
  int newCapacity = (value.length << 1) + 2;
  if (newCapacity - minCapacity < 0) {
    newCapacity = minCapacity;
  }
  return (newCapacity <= 0 || MAX_ARRAY_SIZE - newCapacity < 0)
    ? hugeCapacity(minCapacity)
    : newCapacity;
}

扩容后的字符串长度会是原字符串长度增加一倍 + 2,如果扩容后的长度还比拼接后的字符串长度小的话,那就直接扩容到它需要的长度 newCapacity = minCapacity,然后再进行数组的拷贝。

总结

本篇文章主要描述了 String 、StringBuilder 和 StringBuffer 的主要特性,String、StringBuilder 和 StringBuffer 的底层构造是怎样的,以及 String 常量池的优化、StringBuilder 和 StringBuffer 的扩容特性等。

如果有错误的地方,还请大佬们提出宝贵意见。

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