探秘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了解各個類適用的場景。下面是本文的目錄大綱：
一.你了解String類嗎？
二.深入理解String、StringBuffer、StringBuilder
三.不同場景下三個類的性能測試
四.常見的關於String、StringBuffer的面試題（辟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。
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一.你了解String類嗎？
想要了解一個類，最好的辦法就是看這個類的實現源代碼，String類的實現在
\jdk1.6.0_14\src\java\lang\String.java 文件中。
打開這個類文件就會發現String類是被final修飾的：
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，也即意味着String類不能被繼承，並且它的成員方法都默認為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默認為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調用以提升執行效率。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去提升方法調用效率。只有在確定不想讓該方法被覆蓋時，才將方法設置為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數組來保存字符串的。
下面再繼續看String類的一些方法實現：
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符串上進行的，而是重新生成了一個新的字符串對象。也就是說進行這些操作后，最原始的字符串並沒有被改變。
在這里要永遠記住一點：
“對String對象的任何改變都不影響到原對象，相關的任何change操作都會生成新的對象”。
在了解了於String類基礎的知識后，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，在平時寫代碼的過程中也經常遇到，那么它們到底有什么區別和聯系呢？下面先看幾個例子：
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);
}
}
這段代碼的輸出結果為
為什么會出現這樣的結果？下面解釋一下原因：
在前面一篇講解關於JVM內存機制的一篇博文中提到 ，在class文件中有一部分 來存儲編譯期間生成的 字面常量以及符號引用，這部分叫做class文件常量池，在運行期間對應着方法區的運行時常量池。
因此在上述代碼中，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，運行期間字面常量"hello world"被存儲在運行時常量池（當然只保存了一份）。通過這種方式來將String對象跟引用綁定的話，JVM執行引擎會先在運行時常量池查找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；否則在運行時常量池開辟一個空間來存儲該字面常量，並將引用指向該字面常量。
總所周知，通過new關鍵字來生成對象是在堆區進行的，而在堆區進行對象生成的過程是不會去檢測該對象是否已經存在的。因此通過new來創建對象，創建出的一定是不同的對象，即使字符串的內容是相同的。
2.String、StringBuffer以及StringBuilder的區別
既然在Java中已經存在了String類，那為什么還需要StringBuilder和StringBuffer類呢？
那么看下面這段代碼：
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變量指向的對象內容取出與"hello"作字符串相加操作再存進另一個新的String對象當中，再讓string變量指向新生成的對象。如果大家還有疑問可以反編譯其字節碼文件便清楚了：
從這段反編譯出的字節碼文件可以很清楚地看出：從第8行開始到第35行是整個循環的執行過程，並且每次循環會new出一個StringBuilder對象，然后進行append操作，最后通過toString方法返回String對象。也就是說這個循環執行完畢new出了10000個對象，試想一下，如果這些對象沒有被回收，會造成多大的內存資源浪費。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();
再看下面這段代碼：
public class Main {
public static void main(String[] args) {
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
for(int i=0;i<10000;i++){
stringBuilder.append("hello");
}
}
}
反編譯字節碼文件得到：
從這里可以明顯看出，這段代碼的for循環式從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對象，append操作是在原有對象的基礎上進行的。因此在循環了10000次之后，這段代碼所占的資源要比上面小得多。
那么有人會問既然有了StringBuilder類，為什么還需要StringBuffer類？查看源代碼便一目了然，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，這個關鍵字是在多線程訪問時起到安全保護作用的,也就是說StringBuffer是線程安全的。
下面摘了2段代碼分別來自StringBuffer和StringBuilder，insert方法的具體實現：
StringBuilder的insert方法
public StringBuilder insert(int index, char str[], int offset,
int len)
{
super.insert(index, str, offset, len);
return this;
}
StringBuffer的insert方法：
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性能測試
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性能區別：
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()+"類型使用的時間為："+(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()+"類型使用的時間為："+(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()+"類型使用的時間為："+(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("字符串直接相加操作："+(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("字符串間接相加操作："+(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，看下面這段代碼：
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()+"類型使用的時間為："+(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）對於直接相加字符串，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"; 的字符串相加，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文件進行驗證。
對於間接相加（即包含字符串引用），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量進行優化。
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：
當字符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；
當字符串相加操作較多的情況下，建議使用StringBuilder，如果采用了多線程，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. 下面這段代碼的輸出結果是什么？
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"，因此在運行期間，變量a和變量b指向的是同一個對象。
2.下面這段代碼的輸出結果是什么？
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對象事實上是保存在堆上的。因此a和c指向的並不是同一個對象。javap -c得到的內容：
3.下面這段代碼的輸出結果是什么？
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修飾的變量，會在class文件常量池中保存一個副本，也就是說不會通過連接而進行訪問，對final變量的訪問在編譯期間都會直接被替代為真實的值。那么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.下面這段代碼輸出結果為：
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。這里面雖然將b用final修飾了，但是由於其賦值是通過方法調用返回的，那么它的值只能在運行期間確定，因此a和c指向的不是同一個對象。
5.下面這段代碼的輸出結果是什么？
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)：
這里面涉及到的是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方法會在運行時常量池中查找是否存在內容相同的字符串，如果存在則返回指向該字符串的引用，如果不存在，則會將該字符串入池，並返回一個指向該字符串的引用。因此，a和d指向的是同一個對象。
6.String str = new String("abc")創建了多少個對象？
這個問題在很多書籍上都有說到比如《Java程序員面試寶典》，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個對象，這種說法是片面的。
如果有不懂得地方可以參考這篇帖子：
http://rednaxelafx.iteye.com/blog/774673/
首先必須弄清楚創建對象的含義，創建是什么時候創建的？這段代碼在運行期間會創建2個對象么？毫無疑問不可能，用javap -c反編譯即可得到JVM執行的字節碼內容：
很顯然，new只調用了一次，也就是說只創建了一個對象。
而這道題目讓人混淆的地方就是這里，這段代碼在運行期間確實只創建了一個對象，即在堆上創建了"abc"對象。而為什么大家都在說是2個對象呢，這里面要澄清一個概念 該段代碼執行過程和類的加載過程是有區別的。在類加載的過程中，確實在運行時常量池中創建了一個"abc"對象，而在代碼執行過程中確實只創建了一個String對象。
因此，這個問題如果換成 String str = new String("abc")涉及到幾個String對象？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”是這段代碼執行過程中創建了多少個對象還是涉及到多少個對象“再根據具體的來進行回答。
7.下面這段代碼1）和2）的區別是什么？
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。下面是兩種方式的字節碼：
1）的字節碼：
2）的字節碼：
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。
參考文章：http://rednaxelafx.iteye.com/blog/774673/
http://www.blogjava.net/Jack2007/archive/2008/06/17/208602.html
http://www.jb51.net/article/36041.htm