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StringBuilder 比 String 快?空嘴白牙的,证据呢!

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小傅哥
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发布于: 2020 年 09 月 18 日
StringBuilder 比 String 快?空嘴白牙的,证据呢!

作者:小傅哥

博客:https://bugstack.cn



沉淀、分享、成长,让自己和他人都能有所收获!😄



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";



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 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;





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. StringBuilderStringBuffer,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





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。



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"; `,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;
```java
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;





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."<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&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



```c++

Javajavalang_String_intern(JNIEnv *env, jobject this)

{

return JVM_InternString(env, this);

}



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



oop StringTable::intern(Handle stringornull, jchar* name,

int len, TRAPS) {

unsigned int hashValue = javalangString::hash_string(name, len);

int index = thetable()->hashto_index(hashValue);

oop string = the_table()->lookup(index, name, len, hashValue);

if (string != NULL) return string;

return thetable()->basicadd(index, stringornull, 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





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



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);





  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 CASDisplaced 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



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。



九、系列推荐





发布于: 2020 年 09 月 18 日阅读数: 626
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沉淀、分享、成长,让自己和他人都有所收获 2019.04.03 加入

作者小傅哥多年从事一线互联网Java开发的学习历程技术汇总,旨在为大家提供一个清晰详细的学习教程,侧重点更倾向编写Java核心内容。如果能为您提供帮助,请给予支持(关注、点赞、分享)!

评论 (1 条评论)

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活在几百年前?害搁这儿stringbuilder呢?
2020 年 09 月 22 日 13:45
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