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探祕Java中的String、StringBuilder以及StringBuffer

阿新 • • 發佈：2018-12-21

探祕Java中String、StringBuilder以及StringBuffer

　　相信String這個類是Java中使用得最頻繁的類之一，並且又是各大公司面試喜歡問到的地方，今天就來和大家一起學習一下String、StringBuilder和StringBuffer這幾個類，分析它們的異同點以及瞭解各個類適用的場景。下面是本文的目錄大綱：

　　一.你瞭解String類嗎？

　　二.深入理解String、StringBuffer、StringBuilder

　　三.不同場景下三個類的效能測試

　　四.常見的關於String、StringBuffer的面試題（闢謠網上流傳的一些曲解String類的說法）

　　若有不正之處，請多多諒解和指正，不勝感激。

　　請尊重作者勞動成果，轉載請標明轉載地址：

一.你瞭解String類嗎？

　　想要了解一個類，最好的辦法就是看這個類的實現原始碼，String類的實現在

　　\jdk1.6.0_14\src\java\lang\String.java   檔案中。

　　開啟這個類檔案就會發現String類是被final修飾的：

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public final class String

implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence

{

/** The value is used for character storage. */

private final char value[];

/** The offset is the first index of the storage that is used. */

private

 final int offset;

/** The count is the number of characters in the String. */

private final int count;

/** 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;

......

}

　　從上面可以看出幾點：

　　1）String類是final類，也即意味著String類不能被繼承，並且它的成員方法都預設為final方法。在Java中，被final修飾的類是不允許被繼承的，並且該類中的成員方法都預設為final方法。在早期的JVM實現版本中，被final修飾的方法會被轉為內嵌呼叫以提升執行效率。而從Java SE5/6開始，就漸漸擯棄這種方式了。因此在現在的Java SE版本中，不需要考慮用final去提升方法呼叫效率。只有在確定不想讓該方法被覆蓋時，才將方法設定為final。

　　2）上面列舉出了String類中所有的成員屬性，從上面可以看出String類其實是通過char陣列來儲存字串的。

　　下面再繼續看String類的一些方法實現：

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public String substring(int beginIndex, int endIndex) {

if (beginIndex < 0) {

throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);

}

if (endIndex > count) {

throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);

}

if (beginIndex > endIndex) {

throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex - beginIndex);

}

return ((beginIndex == 0) && (endIndex == count)) ? this :

new String(offset + beginIndex, endIndex - beginIndex, value);

}

public String concat(String str) {

int otherLen = str.length();

if (otherLen == 0) {

return this;

}

char buf[] = new char[count + otherLen];

getChars(0, count, buf, 0);

str.getChars(0, otherLen, buf, count);

return new String(0, count + otherLen, buf);

}

public String replace(char oldChar, char newChar) {

if (oldChar != newChar) {

int len = count;

int i = -1;

char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

int off = offset;   /* avoid getfield opcode */

while (++i < len) {

if (val[off + i] == oldChar) {

break;

}

}

if (i < len) {

char buf[] = new char[len];

for (int j = 0 ; j < i ; j++) {

buf[j] = val[off+j];

}

while (i < len) {

char c = val[off + i];

buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;

i++;

}

return new String(0, len, buf);

}

}

return this;

　　從上面的三個方法可以看出，無論是sub操、concat還是replace操作都不是在原有的字串上進行的，而是重新生成了一個新的字串物件。也就是說進行這些操作後，最原始的字串並沒有被改變。

　　在這裡要永遠記住一點：

　　“對String物件的任何改變都不影響到原物件，相關的任何change操作都會生成新的物件”。

　　在瞭解了於String類基礎的知識後，下面來看一些在平常使用中容易忽略和混淆的地方。

二.深入理解String、StringBuffer、StringBuilder

1.String str="hello world"和String str=new String("hello world")的區別

　　想必大家對上面2個語句都不陌生，在平時寫程式碼的過程中也經常遇到，那麼它們到底有什麼區別和聯絡呢？下面先看幾個例子：

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

String str1 = "hello world";

String str2 = new String("hello world");

String str3 = "hello world";

String str4 = new String("hello world");

System.out.println(str1==str2);

System.out.println(str1==str3);

System.out.println(str2==str4);

}

}

　　這段程式碼的輸出結果為

　　

　　為什麼會出現這樣的結果？下面解釋一下原因：

　　在前面一篇講解關於JVM記憶體機制的一篇博文中提到 ，在class檔案中有一部分 來儲存編譯期間生成的 字面常量以及符號引用，這部分叫做class檔案常量池，在執行期間對應著方法區的執行時常量池。

　　因此在上述程式碼中，String str1 = "hello world";和String str3 = "hello world"; 都在編譯期間生成了 字面常量和符號引用，執行期間字面常量"hello world"被儲存在執行時常量池（當然只儲存了一份）。通過這種方式來將String物件跟引用繫結的話，JVM執行引擎會先在執行時常量池查詢是否存在相同的字面常量，如果存在，則直接將引用指向已經存在的字面常量；否則在執行時常量池開闢一個空間來儲存該字面常量，並將引用指向該字面常量。

　　總所周知，通過new關鍵字來生成物件是在堆區進行的，而在堆區進行物件生成的過程是不會去檢測該物件是否已經存在的。因此通過new來建立物件，創建出的一定是不同的物件，即使字串的內容是相同的。

2.String、StringBuffer以及StringBuilder的區別

　　既然在Java中已經存在了String類，那為什麼還需要StringBuilder和StringBuffer類呢？

　　那麼看下面這段程式碼：

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

String string = "";

for(int i=0;i<10000;i++){

string += "hello";

}

}

}

　　這句 string += "hello";的過程相當於將原有的string變數指向的物件內容取出與"hello"作字串相加操作再存進另一個新的String物件當中，再讓string變數指向新生成的物件。如果大家還有疑問可以反編譯其位元組碼檔案便清楚了：

　　

　　從這段反編譯出的位元組碼檔案可以很清楚地看出：從第8行開始到第35行是整個迴圈的執行過程，並且每次迴圈會new出一個StringBuilder物件，然後進行append操作，最後通過toString方法返回String物件。也就是說這個迴圈執行完畢new出了10000個物件，試想一下，如果這些物件沒有被回收，會造成多大的記憶體資源浪費。從上面還可以看出：string+="hello"的操作事實上會自動被JVM優化成：

　　StringBuilder str = new StringBuilder(string);

　　str.append("hello");

　　str.toString();

　　再看下面這段程式碼：

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();

for(int i=0;i<10000;i++){

stringBuilder.append("hello");

}

}

}

　　反編譯位元組碼檔案得到：

　　

　　從這裡可以明顯看出，這段程式碼的for迴圈式從13行開始到27行結束，並且new操作只進行了一次，也就是說只生成了一個物件，append操作是在原有物件的基礎上進行的。因此在迴圈了10000次之後，這段程式碼所佔的資源要比上面小得多。

　　那麼有人會問既然有了StringBuilder類，為什麼還需要StringBuffer類？檢視原始碼便一目瞭然，事實上，StringBuilder和StringBuffer類擁有的成員屬性以及成員方法基本相同，區別是StringBuffer類的成員方法前面多了一個關鍵字：synchronized，不用多說，這個關鍵字是在多執行緒訪問時起到安全保護作用的,也就是說StringBuffer是執行緒安全的。

　　下面摘了2段程式碼分別來自StringBuffer和StringBuilder，insert方法的具體實現：

　　StringBuilder的insert方法

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public StringBuilder insert(int index, char str[], int offset,

int len)

{

super.insert(index, str, offset, len);

return this;

}

　　StringBuffer的insert方法：

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public synchronized StringBuffer insert(int index, char str[], int offset,

int len)

{

super.insert(index, str, offset, len);

return this;

}

三.不同場景下三個類的效能測試

　　從第二節我們已經看出了三個類的區別，這一小節我們來做個小測試，來測試一下三個類的效能區別：

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public class Main {

private static int time = 50000;

public static void main(String[] args) {

testString();

testStringBuffer();

testStringBuilder();

test1String();

test2String();

}

public static void testString () {

String s="";

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

s += "java";

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("操作"+s.getClass().getName()+"型別使用的時間為："+(over-begin)+"毫秒");

}

public static void testStringBuffer () {

StringBuffer sb = new StringBuffer();

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

sb.append("java");

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("操作"+sb.getClass().getName()+"型別使用的時間為："+(over-begin)+"毫秒");

}

public static void testStringBuilder () {

StringBuilder sb = new StringBuilder();

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

sb.append("java");

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("操作"+sb.getClass().getName()+"型別使用的時間為："+(over-begin)+"毫秒");

}

public static void test1String () {

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

String s = "I"+"love"+"java";

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("字串直接相加操作："+(over-begin)+"毫秒");

}

public static void test2String () {

String s1 ="I";

String s2 = "love";

String s3 = "java";

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

String s = s1+s2+s3;

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("字串間接相加操作："+(over-begin)+"毫秒");

}

}

　　測試結果（win7，Eclipse，JDK6)：

　　

　　上面提到string+="hello"的操作事實上會自動被JVM優化，看下面這段程式碼：

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public class Main {

private static int time = 50000;

public static void main(String[] args) {

testString();

testOptimalString();

}

public static void testString () {

String s="";

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

s += "java";

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("操作"+s.getClass().getName()+"型別使用的時間為："+(over-begin)+"毫秒");

}

public static void testOptimalString () {

String s="";

long begin = System.currentTimeMillis();

for(int i=0; i<time; i++){

StringBuilder sb = new StringBuilder(s);

sb.append("java");

s=sb.toString();

}

long over = System.currentTimeMillis();

System.out.println("模擬JVM優化操作的時間為："+(over-begin)+"毫秒");

}

}

　　執行結果：

　　

　　得到驗證。

　　下面對上面的執行結果進行一般性的解釋：

　　1）對於直接相加字串，效率很高，因為在編譯器便確定了它的值，也就是說形如"I"+"love"+"java"; 的字串相加，在編譯期間便被優化成了"Ilovejava"。這個可以用javap -c命令反編譯生成的class檔案進行驗證。

　　對於間接相加（即包含字串引用），形如s1+s2+s3; 效率要比直接相加低，因為在編譯器不會對引用變數進行優化。

　　2）String、StringBuilder、StringBuffer三者的執行效率：

　　StringBuilder > StringBuffer > String

　　當然這個是相對的，不一定在所有情況下都是這樣。

　　比如String str = "hello"+ "world"的效率就比 StringBuilder st  = new StringBuilder().append("hello").append("world")要高。

　　因此，這三個類是各有利弊，應當根據不同的情況來進行選擇使用：

　　當字串相加操作或者改動較少的情況下，建議使用 String str="hello"這種形式；

　　當字串相加操作較多的情況下，建議使用StringBuilder，如果採用了多執行緒，則使用StringBuffer。

四.常見的關於String、StringBuffer的面試題

　　下面是一些常見的關於String、StringBuffer的一些面試筆試題，若有不正之處，請諒解和批評指正。

1. 下面這段程式碼的輸出結果是什麼？

　　String a = "hello2"; 　　String b = "hello" + 2; 　　System.out.println((a == b));

　　輸出結果為：true。原因很簡單，"hello"+2在編譯期間就已經被優化成"hello2"，因此在執行期間，變數a和變數b指向的是同一個物件。

2.下面這段程式碼的輸出結果是什麼？

　　String a = "hello2"; 　  String b = "hello";       String c = b + 2;       System.out.println((a == c));

　　輸出結果為:false。由於有符號引用的存在，所以  String c = b + 2;不會在編譯期間被優化，不會把b+2當做字面常量來處理的，因此這種方式生成的物件事實上是儲存在堆上的。因此a和c指向的並不是同一個物件。javap -c得到的內容：

　　

3.下面這段程式碼的輸出結果是什麼？

　　String a = "hello2";   　 final String b = "hello";       String c = b + 2;       System.out.println((a == c));

　　輸出結果為：true。對於被final修飾的變數，會在class檔案常量池中儲存一個副本，也就是說不會通過連線而進行訪問，對final變數的訪問在編譯期間都會直接被替代為真實的值。那麼String c = b + 2;在編譯期間就會被優化成：String c = "hello" + 2; 下圖是javap -c的內容：

　　

4.下面這段程式碼輸出結果為：

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

String a = "hello2";

final String b = getHello();

String c = b + 2;

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

}

public static String getHello() {

return "hello";

}

}

　　輸出結果為false。這裡面雖然將b用final修飾了，但是由於其賦值是通過方法呼叫返回的，那麼它的值只能在執行期間確定，因此a和c指向的不是同一個物件。

5.下面這段程式碼的輸出結果是什麼？

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

String a = "hello";

String b =  new String("hello");

String c =  new String("hello");

String d = b.intern();

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

System.out.println(b==c);

System.out.println(b==d);

System.out.println(a==d);

}

}

　　輸出結果為（JDK版本 JDK6)：

　　

　　這裡面涉及到的是String.intern方法的使用。在String類中，intern方法是一個本地方法，在JAVA SE6之前，intern方法會在執行時常量池中查詢是否存在內容相同的字串，如果存在則返回指向該字串的引用，如果不存在，則會將該字串入池，並返回一個指向該字串的引用。因此，a和d指向的是同一個物件。

6.String str = new String("abc")建立了多少個物件？

　　這個問題在很多書籍上都有說到比如《Java程式設計師面試寶典》，包括很多國內大公司筆試面試題都會遇到，大部分網上流傳的以及一些面試書籍上都說是2個物件，這種說法是片面的。

　　如果有不懂得地方可以參考這篇帖子：

　　首先必須弄清楚建立物件的含義，建立是什麼時候建立的？這段程式碼在執行期間會建立2個物件麼？毫無疑問不可能，用javap -c反編譯即可得到JVM執行的位元組碼內容：

　　

　　很顯然，new只調用了一次，也就是說只建立了一個物件。

　　而這道題目讓人混淆的地方就是這裡，這段程式碼在執行期間確實只建立了一個物件，即在堆上建立了"abc"物件。而為什麼大家都在說是2個物件呢，這裡面要澄清一個概念  該段程式碼執行過程和類的載入過程是有區別的。在類載入的過程中，確實在執行時常量池中建立了一個"abc"物件，而在程式碼執行過程中確實只建立了一個String物件。

　　因此，這個問題如果換成 String str = new String("abc")涉及到幾個String物件？合理的解釋是2個。

　　個人覺得在面試的時候如果遇到這個問題，可以向面試官詢問清楚”是這段程式碼執行過程中建立了多少個物件還是涉及到多少個物件“再根據具體的來進行回答。

7.下面這段程式碼1）和2）的區別是什麼？

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public class Main {

public static void main(String[] args) {

String str1 = "I";

//str1 += "love"+"java";        1)

str1 = str1+"love"+"java";      //2)

}

}

　　1）的效率比2）的效率要高，1）中的"love"+"java"在編譯期間會被優化成"lovejava"，而2）中的不會被優化。下面是兩種方式的位元組碼：

　　1）的位元組碼：

　　

　　2）的位元組碼：

　　

　　可以看出，在1）中只進行了一次append操作，而在2）中進行了兩次append操作。

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