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StringBuilder比String快吗

这篇文章主要讲解了“StringBuilder比String快吗”,文中的讲解内容简单清晰,易于学习与理解,下面请大家跟着小编的思路慢慢深入,一起来研究和学习“StringBuilder比String快吗”吧!

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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 StringStringBuilderStringBuffer,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;

StringBuilder比String快吗

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

StringBuilder比String快吗

一看指令码,这不是在循环里(if_icmpgt)给我 newStringBuilder 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。

String 源码分析

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable, 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";,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;

StringBuilder比String快吗  
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_01str_02str_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."":()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.
 * 


 * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
 * class {@code String}.
 * 


 * 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.
 * 


 * 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}.
 * 


 * All literal strings and string-valued constant expressions are
 * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
 * The Java™ Language Specification.
 *
 * @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
StringBuilder比String快吗

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。 

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。 

StringBuffer 源码分析

StringBufferStringBuilder,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);

StringBuilder比String快吗
  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。

常用API

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

感谢各位的阅读,以上就是“StringBuilder比String快吗”的内容了,经过本文的学习后,相信大家对StringBuilder比String快吗这一问题有了更深刻的体会,具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联,小编将为大家推送更多相关知识点的文章,欢迎关注!


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