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面经手册 · 第 11 篇《StringBuilder 比 String 快？空嘴白牙的，证据呢！》

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历，甚至也是大家讨厌和烦躁的点。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 年经验的事、明明公司也更喜欢具有附加价值的研发。有些小公司不好说，但在一些互联网大厂中，我们都希望招聘到具有培养价值的，也更喜欢能快速打怪升级的，也更愿意让这样的人承担更大的职责。

但，你酸了！ 别人看源码你打游戏、别人学算法你刷某音、别人写博客你浪 98。所以，没有把时间用到个人成长上，就一直会被别人榨取。

二、面试题

谢飞机，总感觉自己有技术瓶颈、有知识盲区，但是又不知道在哪。所以约面试官聊天，虽然也面不过去！

面试官：飞机，你又抱着大脸，来白嫖我了啦？

谢飞机：嘿嘿，我需要知识，我渴。

面试官：好，那今天聊聊最常用的 String 吧，你怎么初始化一个字符串类型。

谢飞机：String str = "abc";<span> </span>

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！不知道了！

面试官：你不懂 String，你没看过源码。还可以这样；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，分别使用了 String、StringBuilder、StringBuffer，做字符串链接操作 (100 个、1000 个、1 万个、10 万个、100 万个)，记录每种方式的耗时。最终汇总图表如下；

小傅哥 & 耗时对比

从上图可以得出以下结论；

  1. String 字符串链接是耗时的，尤其数据量大的时候，简直没法使用了。这是做实验，基本也不会有人这么干！
  2. StringBuilder、StringBuffer，因为没有发生多线程竞争也就没有🔒锁升级，所以两个类耗时几乎相同，当然在单线程下更推荐使用 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方式，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？

确实会被 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

小傅哥 & 反编译

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？再仔细看，其实你会发现，这 new 是在循环里吗呀，我们把这段代码写出来再看看；

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

现在再看这段代码就很清晰了，所有的字符串链接操作，都需要实例化一次 StringBuilder，所以非常耗时。并且你可以验证，这样写代码耗时与字符串直接链接是一样的。 所以把 StringBuilder 提到上一层 for 循环外更快。

四、String 源码分析

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，我们聊到了 String 初始化的问题，按照一般我们应用的频次上，能想到的只有直接赋值，String str = "abc";<span> </span>，但因为 String 的底层数据结构是数组 char value[]，所以它的初始化方式也会有很多跟数组相关的，如下；

String str_01 = "abc";
System.out.println("默认方式：" + str_01);

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

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

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

以上这些方式都可以初始化，并且最终的结果是一致的，abc。如果说初始化的方式没用让你感受到它是数据结构，那么 str_01.charAt(0);呢，只要你往源码里一点，就会发现它是 O(1) 的时间复杂度从数组中获取元素，所以效率也是非常高，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)

字符串创建后是不可变的，你看到的 +加号连接操作，都是创建了新的对象把数据存放过去，通过源码就可以看到；

小傅哥 & String 不可变

从源码中可以看到，String 的类和用于存放字符串的方法都用了 final 修饰，也就是创建了以后，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";

不考虑其他情况，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应对象是否可变性。

接下来我们把上面代码反编译，通过指令码看到底创建了几个对象。

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，创建了一个对象。
  • 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，创建一个对象存储。
  • str_03 = str_01 + "def"，指令码：invokevirtual，这个就不一样了，它需要把两个字符串相连，会创建 StringBuilder对象，直至最后 toString:()操作，共创建了三个对象。

所以，我们看到，字符串的创建是不能被修改的，相连操作会创建出新对象。

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 源码分析

看了答案有点感觉了吗，其实可能你了解方法 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™ 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();

这段代码和注释什么意思呢？

native，说明 intern() 是一个本地方法，底层通过 JNI 调用 C++ 语言编写的功能。

\openjdk8\jdk\src\share\native\java\lang\String.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部分内容，源码可以学习开源 jdk 代码，连接： 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，用来存放字符串，所以如果哈希值冲突严重，就会导致链表过长。这在我们讲解 hashMap 中已经介绍，可以回看 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 可以设置 -XX:StringTableSize，按需调整。

3.3 问题图解

小傅哥 & 图解true/false

看图说话，如下；

  1. 先说 ==，基础类型比对的是值，引用类型比对的是地址。另外，equal 比对的是哈希值。
  2. 两个 new 出来的对象，地址肯定不同，所以是 false。
  3. intern()，直接把值推进了常量池，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，不会重新创建对象，直接引用常量池里的值。所以 str_1.intern() == str_3，比对结果是 true。

理解了这个结构，根本不需要死记硬背应对面试，让懂了就是真的懂，大脑也会跟着愉悦。

五、StringBuilder 源码分析

1. 初始化

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

这几种方式都可以初始化，你可以传一个初始化容量，也可以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！那是不操作起来跟使用 ArrayList 似的呀！

2. 添加元素

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

添加元素的操作很简单，使用 append 即可，那么它是怎么往数组中存放的呢，需要扩容吗？

2.1 入口方法

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;
}
  • 这个是 public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder，的父类与 StringBuffer 共用这个方法。
  • 这里包括了容量检测、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，都需要检测容量大小，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);
}

添加元素的方式是基于 System.arraycopy 拷贝操作进行的，这是一个本地方法。

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);
}

其实需要用到它是 String 字符串的时候，就是使用 String 的构造函数传递数组进行转换的，这个方法在我们上面讲解 String 的时候已经介绍过。

六、StringBuffer 源码分析

StringBuffer 与 StringBuilder，API 的使用和底层实现上基本一致，维度不同的是 StringBuffer 加了 synchronized 🔒锁，所以它是线程安全的。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？

其实为了减少获得锁与释放锁带来的性能损耗，从而引入了偏向锁、轻量级锁、重量级锁来进行优化，它的进行一个锁升级，如下图 ( 此图引自互联网用户：韭韭韭韭菜，画的非常优秀 )；

小傅哥 & 此图引自互联网，画的非常漂亮

  1. 从无锁状态开始，当线程进入 synchronized 同步代码块，会检查对象头和栈帧内是否有当前线下 ID 编号，无则使用 CAS 替换。
  2. 解锁时，会使用 CAS 将 Displaced Mark Word 替换回到对象头，如果成功，则表示竞争没有发生，反之则表示当前锁存在竞争锁就会升级成重量级锁。
  3. 另外，大多数情况下锁🔒是不发生竞争的，基本由一个线程持有。所以，为了避免获得锁与释放锁带来的性能损耗，所以引入锁升级，升级后不能降级。

七、常用 API

| 序号 | 方法 | 描述 |
| - | - | - |
| 1 | str.concat("cde") | 字符串连接，替换 + 号 |
| 2 | str.length() | 获取长度 |
| 3 | isEmpty() | 判空 |
| 4 | str.charAt(0) | 获取指定位置元素 |
| 5 | str.codePointAt(0) | 获取指定位置元素，并返回 ascii 码值 |
| 6 | str.getBytes()| 获取 byte[] |
| 7 | str.equals(“abc”) | 比较 |
| 8 | str.equalsIgnoreCase(“AbC”) | 忽略大小写，比对 |
| 9 | str.startsWith(“a”) | 开始位置值判断 |
| 10 | str.endsWith(“c”) | 结尾位置值判断 |
| 11 | str.indexOf(“b”) | 判断元素位置，开始位置 |
| 12 | str.lastIndexOf(“b”) | 判断元素位置，结尾位置 |
| 13 | str.substring(0, 1) | 截取 |
| 14 | str.split(“,”) | 拆分，可以支持正则 |
| 15 | str.replace(“a”,”d”)、replaceAll | 替换 |
| 16 | str.toUpperCase() | 转大写 |
| 17 | str.toLowerCase() | 转小写 |
| 18 | str.toCharArray() | 转数组 |
| 19 | String.format(str, “”) | 格式化，%s、%c、%b、%d、%x、%o、
%f、%a、%e、%g、%h、%%、%n、%tx |
| 20 | str.valueOf(“123”) | 转字符串 |
| 21 | trim() | 格式化，首尾去空格 |
| 22 | str.hashCode() | 获取哈希值 |

八、总结

  • 业精于勤,荒于嬉，你学到的知识不一定只是为了面试准备，还更应该是拓展自己的技术深度和广度。这个过程可能很痛苦，但总得需要某一个烧脑的过程，才让其他更多的知识学起来更加容易。
  • 本文介绍了 String、StringBuilder、StringBuffer，的数据结构和源码分析，更加透彻的理解后，也能更加准确的使用，不会被因为不懂而犯错误。
  • 想把代码写好，至少要有这四面内容，包括；数据结构、算法、源码、设计模式，这四方面在加上业务经验与个人视野，才能真的把一个需求、一个大项目写的具备良好的扩展性和易维护性。

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