❤️String、StringBuilder、StringBuffer详解❤️(附原理、测试case、建议收藏)

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一、String类简介

String类位于java.lang包下,是Java语言的核心类,提供了字符串的比较、查找、截取、大小写转换等操作,可以使用“+”连接其他对象,String类的部分源码如下

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
 
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0
    ...
}

从上面可以看出

  1. String类被final关键字修饰,意味着String类不能被继承,并且它的成员方法都默认为final方法;字符串一旦创建就不能再修改;
  2. String类实现了Serializable、CharSequence、 Comparable接口;
  3. tring实例的值是通过字符数组实现字符串存储的;

二、“+”连接符

1、“+”连接符的实现原理

字符串连接是通过 StringBuilder(或 StringBuffer)类及其append 方法实现的,对象转换为字符串是通过 toString 方法实现的,该方法由 Object 类定义,并可被 Java 中的所有类继承。

我们可以通过反编译验证一下:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 10;
        String s = "哪吒";
        System.out.println(s + i);
    }
}
 
/**
 * 反编译后
 */
public class Test {
    public static void main(String args[]) { 
        ...
        byte byte0 = 10;      
        String s = "哪吒";      
        System.out.println((new StringBuilder()).append(s).append(byte0).toString());
    }
}

从上面的代码就可以看出“+”连接字符串的底层,实际上就是StringBuilder对象通过append,再调用toString完成的。

2、“+”连接符的效率

使用“+”连接符时,JVM会隐式的创建StringBuilder对象,这种方式在大部分情况下不会造成效率的损失,但是,在循环中进行字符串拼接时就不一样了。

因为会创建大量的StringBuilder对象在堆内存中,这肯定是不允许的,所以这时就建议在循环外创建一个StringBuilder对象,然后循环内调用append方法进行手动拼接。

还有一种特殊情况,如果“+”拼接的是字符串常量中的字符串时,编译器会进行优化,直接将两个字符串常量拼接好。

所以,“+”连接符对于直接相加的字符串常量效率很高,因为在编译期间便确定了它的值;但对于间接相加的情况效率就会变低,建议单线程时使用StringBuilder,多线程时使用StringBuffer替代。

三、String、StringBuilder和StringBuffer

1、主要区别

  1. String是不可变字符序列,StringBuilder和StringBuffer是可变字符序列。
  2. 执行速度StringBuilder > StringBuffer > String。
  3. StringBuilder是非线程安全的,StringBuffer是线程安全的。

2、效率测试

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.StringJoiner;

public class StringTest {

    private static void test01() {
        String str = "哪吒,";
        String ret = "";
        System.out.println("+字符串拼接开始...");
        long start = System.currentTimeMillis();
        // + 在循环中的效率太低,用10万条测试吧
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            ret += str;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("+号拼接10万条数据耗时:"+(end-start)+"ms");//18288ms
        System.out.println("************");
    }

    private static void test02() {
        String str = "哪吒,";
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        System.out.println("StringBuilder,字符串拼接开始...");
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            builder.append(str);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringBuilder拼接1000万条数据耗时:"+(end-start)+"ms");//168ms,173ms,239ms
        System.out.println("************");
    }

    private static void test03() {
        String str = "哪吒,";
        StringBuffer buffer = new StringBuffer();
        System.out.println("StringBuffer,字符串拼接开始...");
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            buffer.append(str);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringBuffer拼接1000万条数据耗时:"+(end-start)+"ms");//527ms,343ms,398ms
        System.out.println("************");
    }

    /**
     * StringJoiner的效率明显高于List + StringJoiner
     */
    private static void test04() {
        String str = "哪吒";
        StringJoiner join = new StringJoiner(",");
        System.out.println("StringJoiner,字符串拼接开始...");

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            join.add(str);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("StringJoiner拼接1000万条数据耗时:"+(end-start)+"ms");//184ms,316ms,243ms
        System.out.println("************");
    }

    private static void test05() {
        String str = "哪吒";
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        System.out.println("List + StringJoiner,字符串拼接开始...");
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            list.add(str);
        }
        String ret = String.join(",", list);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("List + StringJoiner拼接1000万条数据耗时:"+(end-start)+"ms");//563ms,477ms,585ms
        System.out.println("************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        test02();

    }
}

3、控制台输出

总结:StringBuilder效率最高,+拼接效率最低。

4、源码分析

StringBuilder的源码

@Override
public StringBuilder append(char[] str) {
    super.append(str);
    return this;
}

 StringBuilder继承AbstractStringBuilder

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

append会直接拷贝字符到内部的字符数组中,如果字符数组长度不够,会进行扩展。

StringBuffer和StringBuilder的情况类似,只不过StringBuffer是线程安全的而已。

四、字符串常量池

1、百度百科

常量池在java用于保存在编译期已确定的,已编译的class文件中的一份数据。它包括了关于类,方法,接口等中的常量,也包括字符串常量,如String s = "java"这种申明方式;当然也可扩充,执行器产生的常量也会放入常量池,故认为常量池是JVM的一块特殊的内存空间。

2、字符串的对象分配

字符串的对象分配是需要消耗大量的时间和空间的,而且字符串使用的非常多,很多初级程序员,会将所有的变量都定义为String,不知你年轻的时候是不是这样,哈哈。

JVM为了提高性能和减少内存的开销,在实例化字符串的时候进行了一系列的优化,那就是字符串常量池。JVM会先检查字符串常量池,如果已经存在,就直接返回字符串常量池中的实例引用,如果不存在,就会实例化该字符串并将其放到字符串常量池中。由于String的不可变性,常量池中一定不存在两个相同的字符串。

3、内存区域

在HotSpot VM中字符串常量池是通过一个StringTable类实现的,它是一个Hash表,默认值大小长度是1009;这个StringTable在每个HotSpot VM的实例中只有一份,被所有的类共享;字符串常量由一个一个字符组成,放在了StringTable上。要注意的是,如果放进String Pool的String非常多,就会造成Hash冲突严重,从而导致链表会很长,而链表长了后直接会造成的影响就是当调用String.intern时性能会大幅下降。

4、举个例子一目了然

public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 1. 新建一个引用s1指向堆中的对象s1,值为"CSDN哪吒"
        String s1=new String("CSDN")+new String("哪吒");
        // 2. 新建一个引用s2指向堆中的对象s2,值为"CSDN哪吒"
        String s2=new String("CS")+new String("DN哪吒");
        // 3. 执行s1.intern()会在字符串常量池中新建一个引用"CSDN哪吒",该引用指向s1在堆中的地址,并新建一个引用s3指向字符串常量池中的"CSDN哪吒"
        String s3=s1.intern();
        // 4. 执行s2.intern()不会在字符串常量池中创建新的引用,因为"CSDN哪吒"已存在,因此只执行了新建一个引用s4指向字符串常量池中"CSDN哪吒"的操作
        String s4=s2.intern();
        // s3和s4指向的都是字符串常量池中的"CSDN哪吒",而这个"CSDN哪吒"都指向堆中s1的地址
        System.out.println(s1==s3); // true
        System.out.println(s1==s4); // true
        // s3和s4最终关联堆中的地址是对象s1
        System.out.println(s2 == s3);// false
        System.out.println(s2 == s4);// false
    }
}

五、intern()方法

直接使用双引号声明出来的String对象会直接存储在字符串常量池中,如果不是用双引号声明的String对象,可以使用String提供的intern方法。intern 方法是一个native方法,intern方法会从字符串常量池中查询当前字符串是否存在,如果存在,就直接返回当前字符串;如果不存在就会将当前字符串放入常量池中,之后再返回。

JDK1.7的改动:

  1. 将String常量池 从 Perm 区移动到了 Java Heap区
  2. String.intern() 方法时,如果存在堆中的对象,会直接保存对象的引用,而不会重新创建对象。

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