关于后端:StringBuilder-比-String-快空嘴白牙的证据呢

作者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn

积淀、分享、成长，让本人和别人都能有所播种！????

一、前言

聊的是八股的文，干的是搬砖的活！

面我的题开发都用不到，你为什么要问？可能这是大部分程序员求职时的经验，甚至也是大家厌恶和焦躁的点。明明给的是拧螺丝的钱、明明做的是写 CRUD 的事、明明担的是成工具的人！

明明 … 有很多，可明明公司不会招 5 年开发做 3 年教训的事、明明公司也更喜爱具备附加价值的研发。有些小公司不好说，但在一些互联网大厂中，咱们都心愿招聘到具备造就价值的，也更喜爱能疾速打怪降级的，也更违心让这样的人承当更大的职责。

但，你酸了！ 他人看源码你打游戏、他人学算法你刷某音、他人写博客你浪 98。所以，没有把工夫用到个人成长上，就始终会被他人榨取。

二、面试题

谢飞机，总感觉本人有技术瓶颈、有常识盲区，然而又不晓得在哪。所以约面试官聊天，尽管也面不过来！

面试官：飞机，你又抱着大脸，来白嫖我了啦？

谢飞机：嘿嘿，我须要常识，我渴。

面试官：好，那明天聊聊最罕用的 String 吧，你怎么初始化一个字符串类型。

谢飞机：String str = "abc";

面试官：还有吗？

谢飞机：还有？啊，这样 String str = new String("abc"); ????

面试官：还有吗？

谢飞机：啊！？还有！不晓得了！

面试官 ：你不懂 String，你没看过源码。还能够这样；new String(new char[]{'c', 'd'}); 回家再学学吧，下次记得给我买 百事 ，我不喝 可口。

三、StringBuilder 比 String 快吗？

1. StringBuilder 比 String 快，证据呢？

老子代码一把梭，总有人絮叨这么搞不好，那 StringBuilder 到底那快了！

1.1 String

long startTime = System.currentTimeMillis();
String str = "";
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {str += i;}
System.out.println("String 耗时：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

1.2 StringBuilder

long startTime = System.currentTimeMillis();
StringBuilder str = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {str.append(i);
}
System.out.println("StringBuilder 耗时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

1.3 StringBuffer

long startTime = System.currentTimeMillis();
StringBuffer str = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {str.append(i);
}
System.out.println("StringBuffer 耗时" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

综上，别离应用了 String、StringBuilder、StringBuffer，做字符串链接操作(100 个、1000 个、1 万个、10 万个、100 万个)，记录每种形式的耗时。最终汇总图表如下；

从上图能够得出以下论断；

1. String 字符串链接是耗时的，尤其数据量大的时候，几乎没法应用了。这是做试验，根本也不会有人这么干！
2. StringBuilder、StringBuffer，因为没有产生多线程竞争也就没有???? 锁降级，所以两个类耗时简直雷同，当然在单线程下更举荐应用 StringBuilder。

2. StringBuilder 比 String 快，为什么？

String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {str += i;}

这段代码就是三种字符串拼接形式，最慢的一种。不是说这种 + 加的符号，会被优化成 StringBuilder 吗，那怎么还慢？

的确会被 JVM 编译期优化，但优化成什么样子了呢，先看下字节码指令；javap -c ApiTest.class

一看指令码，这不是在循环里 (if_icmpgt) 给我 new 了 StringBuilder 了吗，怎么还这么慢呢？再认真看，其实你会发现，这 new 是在循环里吗呀，咱们把这段代码写进去再看看；

String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {str = new StringBuilder().append(str).append(i).toString();}

当初再看这段代码就很清晰了，所有的字符串链接操作，都须要实例化一次 StringBuilder，所以十分耗时。 并且你能够验证，这样写代码耗时与字符串间接链接是一样的。 所以把StringBuilder 提到上一层 for 循环外更快。

四、String 源码剖析

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

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
     
    ...
}

1. 初始化

在与 谢飞机 的面试题中，咱们聊到了 String 初始化的问题，依照个别咱们利用的频次上，能想到的只有间接赋值，String str = "abc"; ，但因为 String 的底层数据结构是数组char value[]，所以它的初始化形式也会有很多跟数组相干的，如下；

String str_01 = "abc";
System.out.println("默认形式：" + str_01);

String str_02 = new String(new char[]{'a', 'b', 'c'});
System.out.println("char 形式：" + str_02);

String str_03 = new String(new int[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
System.out.println("int 形式：" + str_03);

String str_04 = new String(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63});
System.out.println("byte 形式：" + str_04);

以上这些形式都能够初始化，并且最终的后果是统一的，abc。如果说初始化的形式没用让你感触到它是数据结构，那么 str_01.charAt(0); 呢，只有你往源码里一点，就会发现它是 O(1) 的工夫复杂度从数组中获取元素，所以效率也是十分高，源码如下；

public char charAt(int index) {if ((index < 0) || (index >= value.length)) {throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
    }
    return value[index];
}

2. 不可变(final)

字符串创立后是不可变的，你看到的 + 加号 连贯操作，都是创立了新的对象把数据寄存过来，通过源码就能够看到；

从源码中能够看到，String 的类和用于寄存字符串的办法都用了 final 润饰，也就是创立了当前，这些都是不可变的。

举个例子

String str_01 = "abc";
String str_02 = "abc" + "def";
String str_03 = str_01 + "def";

不思考其余状况，对于程序初始化。以上这些代码 str_01、str_02、str_03，都会初始化几个对象呢？其实这个初始化几个对象从侧面就是反馈对象是否可变性。

接下来咱们把下面代码反编译，通过指令码看到底创立了几个对象。

反编译下

  public void test_00();
    Code:
       0: ldc           #2                  // String abc
       2: astore_1
       3: ldc           #3                  // String abcdef
       5: astore_2
       6: new           #4                  // class java/lang/StringBuilder
       9: dup
      10: invokespecial #5                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
      13: aload_1
      14: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      17: ldc           #7                  // String def
      19: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      22: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
      25: astore_3
      26: return

• str_01 = "abc"，指令码：0: ldc，创立了一个对象。
• str_02 = "abc" + "def"，指令码：3: ldc // String abcdef，得益于 JVM 编译期的优化，两个字符串会进行相连，创立一个对象存储。
• str_03 = str_01 + "def"，指令码：invokevirtual，这个就不一样了，它须要把两个字符串相连，会创立 StringBuilder 对象，直至最初 toString:() 操作，共创立了三个对象。

所以，咱们看到，字符串的创立是不能被批改的，相连操作会创立出新对象。

3. intern()

3.1 经典题目

String str_1 = new String("ab");
String str_2 = new String("ab");
String str_3 = "ab";

System.out.println(str_1 == str_2);
System.out.println(str_1 == str_2.intern());
System.out.println(str_1.intern() == str_2.intern());
System.out.println(str_1 == str_3);
System.out.println(str_1.intern() == str_3);

这是一道经典的 String 字符串面试题，乍一看可能还会有点晕。答案如下；

false
false
true
false
true

3.2 源码剖析

看了答案有点感觉了吗，其实可能你理解办法 intern()，这里先看下它的源码；

/**
 * Returns a canonical representation for the string object.
 * <p>
 * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
 * class {@code String}.
 * <p>
 * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
 * string equal to this {@code String} object as determined by
 * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
 * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
 * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
 * <p>
 * It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
 * {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
 * if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
 * <p>
 * All literal strings and string-valued constant expressions are
 * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
 * <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.
 *
 * @return  a string that has the same contents as this string, but is
 *          guaranteed to be from a pool of unique strings.
 */
public native String intern();

这段代码和正文什么意思呢？

native，阐明 intern() 是一个本地办法，底层通过 JNI 调用 C ++ 语言编写的性能。

openjdk8jdksrcsharenativejavalangString.c

Java_java_lang_String_intern(JNIEnv *env, jobject this)  
{return JVM_InternString(env, this);  
}  

oop result = StringTable::intern(string, CHECK_NULL);

oop StringTable::intern(Handle string_or_null, jchar* name,  
                        int len, TRAPS) {unsigned int hashValue = java_lang_String::hash_string(name, len);  
  int index = the_table()->hash_to_index(hashValue);  
  oop string = the_table()->lookup(index, name, len, hashValue);  
  if (string != NULL) return string;   
  return the_table()->basic_add(index, string_or_null, name, len,  
                                hashValue, CHECK_NULL);  
}  

• 代码块有点长这里只截取了局部内容，源码能够学习开源 jdk 代码，连贯：https://codeload.github.com/abhijangda/OpenJDK8/zip/master
• C++ 这段代码有点像 HashMap 的哈希桶 + 链表的数据结构，用来寄存字符串，所以如果哈希值抵触重大，就会导致链表过长。这在咱们解说 hashMap 中曾经介绍，能够回看 HashMap 源码
• StringTable 是一个固定长度的数组 1009 个大小，jdk1.6 不可调、jdk1.7 能够设置-XX:StringTableSize，按需调整。

3.3 问题图解

看图谈话，如下；

1. 先说 ==，根底类型比对的是值，援用类型比对的是地址。另外，equal 比对的是哈希值。
2. 两个 new 进去的对象，地址必定不同，所以是 false。
3. intern()，间接把值推动了常量池，所以两个对象都做了 intern() 操作后，比对是常量池里的值。
4. str_3 = "ab"，赋值，JVM 编译器做了优化，不会从新创建对象，间接援用常量池里的值。所以str_1.intern() == str_3，比对后果是 true。

了解了这个构造，基本不须要死记硬背应答面试，让懂了就是真的懂，大脑也会跟着愉悦。

五、StringBuilder 源码剖析

1. 初始化

new StringBuilder();
new StringBuilder(16);
new StringBuilder("abc");

这几种形式都能够初始化，你能够传一个初始化容量，也能够初始化一个默认的字符串。它的源码如下；

public StringBuilder() {super(16);
}

AbstractStringBuilder(int capacity) {value = new char[capacity];
}

定睛一看，这就是在初始化数组呀！那是不操作起来跟应用 ArrayList 似的呀！

2. 增加元素

stringBuilder.append("a");
stringBuilder.append("b");
stringBuilder.append("c");

增加元素的操作很简略，应用 append 即可，那么它是怎么往数组中寄存的呢，须要扩容吗？

2.1 入口办法

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;
}

• 这个是 public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder，的父类与 StringBuffer 共用这个办法。
• 这里包含了容量检测、元素拷贝、记录 count 数量。

2.2 扩容操作

ensureCapacityInternal(count + len);

/**
 * This method has the same contract as ensureCapacity, but is
 * never synchronized.
 */
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    // overflow-conscious code
    if (minimumCapacity - value.length > 0)
        expandCapacity(minimumCapacity);
}

/**
 * This implements the expansion semantics of ensureCapacity with no
 * size check or synchronization.
 */
void expandCapacity(int minimumCapacity) {
    int newCapacity = value.length * 2 + 2;
    if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
        newCapacity = minimumCapacity;
    if (newCapacity < 0) {if (minimumCapacity < 0) // overflow
            throw new OutOfMemoryError();
        newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
    }
    value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}

如上，StringBuilder，就跟操作数组的原理一样，都须要检测容量大小，按需扩容。扩容的容量是 n * 2 + 2，另外把原有元素拷贝到新新数组中。

2.3 填充元素

str.getChars(0, len, value, count);

public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
    // ...
    System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
}

增加元素的形式是基于 System.arraycopy 拷贝操作进行的，这是一个本地办法。

2.4 toString()

既然 stringBuilder 是数组，那么它是怎么转换成字符串的呢？

stringBuilder.toString();

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

其实须要用到它是 String 字符串的时候，就是应用 String 的构造函数传递数组进行转换的，这个办法在咱们下面解说 String 的时候曾经介绍过。

六、StringBuffer 源码剖析

StringBuffer 与 StringBuilder，API 的应用和底层实现上基本一致，维度不同的是 StringBuffer 加了 synchronized ???? 锁，所以它是线程平安的。源码如下；

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

那么，synchronized 不是重量级锁吗，JVM 对它有什么优化呢？

其实为了缩小取得锁与开释锁带来的性能损耗，从而引入了偏差锁、轻量级锁、重量级锁来进行优化，它的进行一个锁降级，如下图 (此图引自互联网用户： 韭韭韭韭菜，画的十分优良)；

1. 从无锁状态开始，当线程进入 synchronized 同步代码块，会查看对象头和栈帧内是否有以后线下 ID 编号，无则应用 CAS 替换。
2. 解锁时，会应用 CAS 将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果胜利，则示意竞争没有产生，反之则示意以后锁存在竞争锁就会升级成重量级锁。
3. 另外，大多数状况下锁???? 是不产生竞争的，根本由一个线程持有。所以，为了防止取得锁与开释锁带来的性能损耗，所以引入锁降级，降级后不能降级。

七、罕用 API

八、总结

• 业精于勤, 荒于嬉，你学到的常识不肯定只是为了面试筹备，还更应该是拓展本人的技术深度和广度。这个过程可能很苦楚，但总得须要某一个烧脑的过程，才让其余更多的常识学起来更加容易。
• 本文介绍了 String、StringBuilder、StringBuffer，的数据结构和源码剖析，更加透彻的了解后，也能更加精确的应用，不会被因为不懂而犯错误。
• 想把代码写好，至多要有这四面内容，包含；数据结构、算法、源码、设计模式，这四方面在加上业务教训与集体视线，能力真的把一个需要、一个大我的项目写的具备良好的扩展性和易维护性。

九、系列举荐

• 握草，你居然在代码里下毒！
• 一次代码评审，差点过不了试用期！
• LinkedList 插入速度比 ArrayList 快？你确定吗？
• 重学 Java 设计模式(22 个实在开发场景)
• 面经手册(上最快的车，拿最贵的 offer)