【入门】Java数据类型 | StringBuilder与StringBuffer

发布于 2021-1-4 14:11
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StringBuilder与StringBuffer
StringBuilder与StringBuffer作用就是用来处理字符串,但String类本身也具备很多方法可以用来处理字符串,那么为什么还要引入这两个类呢?前面我们讲解到String 对象的不可变性,以及它的不足那就是创建新的对象,具体你可以查看文章String进阶之不可变性,因为它是不可变的,所以你对它的操作逻辑就体现在另外一个对象里,那就是你的操作新创建的对象。

这种操作最常见的就是字符串的拼接,所以我们几天学习的这两个类都是为了解决这个问题的,那既然都是为了解决这个问题的,为什么会有两个类的,我们后面慢慢分析

初识
首先看下面的例子

    @Test
    public void testPerformance(){
        String str0 = "hello,world";

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            str0 += i;
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

        StringBuilder s_b = new StringBuilder("hello,world");
        long start1 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            s_b.append(i);
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start1);

        StringBuffer sbf = new StringBuffer("hello,world");
        long start2 = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000; i++) {
            sbf.append(i);
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start2);
    }

上述代码中3处循环完成了同样的功能,字符串拼接,执行的结果如下:

38833
4
4

可以看出执行时间差别很大,为了解决String不擅长的大量字符串拼接这种业务场景,所以我们引入了StringBuffer和StringBuilder.

首先我们分析一下为什么String在大量字符串拼接这种场景下这么慢?其实前面我们已经说到了,这我我们再解释一下

因为String本身不可变,我们对String的任何操作都会返回一个新的对象,然后当前String变量指向新的对象,而原来的String对象就会被GC回收,那么在循环中就会大量快速的创建新的对象,大量原来的对象会不断的被GC回收,消耗的时间是非常恐怖的,而且内存占用非常大。

但是我们从输出结果看到另外一个问题,那就是StringBuffer与StringBuilder的允许时间基本一致,那为什么需要定义两个功能相似的类呢?

接下来我们再看一段代码

    @Test
    public void testSafe() throws InterruptedException {
        String str0 = "hello,world";

        StringBuilder s_b = new StringBuilder(str0);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                s_b.append("a");
            }).start();
        }


        StringBuffer sbf = new StringBuffer(str0);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                sbf.append("a");
            }).start();
        }
        // 等待工作线程运行结束
        while (Thread.activeCount()>2){

        }
        System.out.println("StringBuilder:"+s_b.toString().length());
        System.out.println("StringBuffer:"+sbf.toString().length());
    }

输出结果

StringBuilder:109
StringBuffer:111

看出什么了吗,本来拼接完程度应该是111的,但是现在呢,StringBuilder是109,说明了StringBuilder不是安全的,也就是说再多线程的环境下,我们应该使用StringBuilder

下面我们对比了String、StringBuffer与StringBuilder的区别

String StringBuffer  StringBuilder
final修饰,不可继承 final修饰,不可继承 final修饰,不可继承
字符串常量,创建后不可变 字符串变量,可动态修改 字符串变量,可动态修改
不存在线程安全问题 线程安全,所有public方法由synchronized修改 线程不安全
大量字符串拼接效率最低 大量字符串拼接效率非常高 大量字符串拼接效率最高

StringBuffer与StringBuilder实现非常类似,下面以StringBuilder简单说明一下append()方法基本原理

源码剖析
这里我们以StringBuilder为例,

1. StringBuilder的构造方法

StringBuilder s_b1 = new StringBuilder();
StringBuilder s_b2 = new StringBuilder(100);

StringBuilder对字符串的操作是通过char[]来实现的,通过默认构造器创建的StringBuilder,其内部创建的char[]的默认长度为16,当然可以调用重载的构造器传递初始长度(推荐这样,因为这样可以减少数组扩容次数,提高效率)。

     */
    public StringBuilder() {
        super(16);
    }

    /**
     * Constructs a string builder with no characters in it and an
     * initial capacity specified by the {@code capacity} argument.
     *
     * @param      capacity  the initial capacity.
     * @throws     NegativeArraySizeException  if the {@code capacity}
     *               argument is less than {@code 0}.
     */
    public StringBuilder(int capacity) {
        super(capacity);
    }

    /**
     * Constructs a string builder initialized to the contents of the
     * specified string. The initial capacity of the string builder is
     * {@code 16} plus the length of the string argument.
     *
     * @param   str   the initial contents of the buffer.
     */
    public StringBuilder(String str) {
        super(str.length() + 16);
        append(str);
    }

    /**
     * Constructs a string builder that contains the same characters
     * as the specified {@code CharSequence}. The initial capacity of
     * the string builder is {@code 16} plus the length of the
     * {@code CharSequence} argument.
     *
     * @param      seq   the sequence to copy.
     */
    public StringBuilder(CharSequence seq) {
        this(seq.length() + 16);
        append(seq);
    }

2. StringBuilder的append()方法
每次调用append(str)方法时,会首先判断数组长度是否足以添加传递来的字符串

/**
 * Appends the specified string to this character sequence.
 * <p>
 * The characters of the {@code String} argument are appended, in
 * order, increasing the length of this sequence by the length of the
 * argument. If {@code str} is {@code null}, then the four
 * characters {@code "null"} are appended.
 *
 * @param   str   a string.
 * @return  a reference to this object.
 */
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;
}
/**
 * For positive values of {@code minimumCapacity}, this method
 * behaves like {@code ensureCapacity}, however it is never
 * synchronized.
 * If {@code minimumCapacity} is non positive due to numeric
 * overflow, this method throws {@code OutOfMemoryError}.
 */
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    // overflow-conscious code
    if (minimumCapacity - value.length > 0) {
        value = Arrays.copyOf(value,
                newCapacity(minimumCapacity));
    }
}

如果传递的字符串长度 + 数组已存放的字符的长度 > 数组的长度,这时就需要进行数据扩容了

/**
 * Returns a capacity at least as large as the given minimum capacity.
 * Returns the current capacity increased by the same amount + 2 if
 * that suffices.
 * Will not return a capacity greater than {@code MAX_ARRAY_SIZE}
 * unless the given minimum capacity is greater than that.
 *
 * @param  minCapacity the desired minimum capacity
 * @throws OutOfMemoryError if minCapacity is less than zero or
 *         greater than Integer.MAX_VALUE
 */
private int newCapacity(int minCapacity) {
    // overflow-conscious code
    int newCapacity = (value.length << 1) + 2;
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity;
    }
    return (newCapacity <= 0 || MAX_ARRAY_SIZE - newCapacity < 0)
        ? hugeCapacity(minCapacity)
        : newCapacity;
}

扩容规则如下:默认将数组长度设置为“ (当前数组长度 * 2) + 2”,但如果按此规则扩容后的数组也不足以添加新的字符串,就需要将数组长度设置为“数组内字符长度 + 传递的字符串长度”

因此假如我们知道拼接的字符串大概长度有100多字符,我们就可以设置初始长度150或200,这样就可以避免或减少数组扩容的次数,从而提高效率。

总结

 

  1. StringBuilder与StringBuffer 都是为了解决大量字符串拼接时的性能问题,其实就是为了解决String类在拼接过程中产生的大量对象的问题,因为这会导致大量内内存分配和GC 问题
  2. StringBuilder与StringBuffer 二者之间的主要区别是线程是否安全,StringBuffer 通过对方法添加synchronized关键字保证了线程安全。
  3. StringBuilder与StringBuffer底层都是依赖字符数组实现的,不同于String 的是String 底层的字符数组是不可变的,也就是final 修饰的,其实这就是StringBuilder与StringBuffer可变的原因,动态扩展字符数组来实现的。
  4. 为了提高StringBuilder与StringBuffer的性能我们可以通过设置合适的容量来避免数组库容。

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