作者：小傅哥
博客：https://bugstack.cn
沉淀、分享、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄
一、前言
聊的是八股的文，干的是搬磚的活！
面我的題開發都用不到，你為什么要問？可能這是大部分程序員求職時的經歷，甚至也是大家討厭和煩躁的點。明明給的是擰螺絲的錢、明明做的是寫CRUD的事、明明擔的是成工具的人！
明明... 有很多，可明明公司不會招5年開發做3年經驗的事、明明公司也更喜歡具有附加價值的研發。有些小公司不好說，但在一些互聯網大廠中，我們都希望招聘到具有培養價值的，也更喜歡能快速打怪升級的，也更願意讓這樣的人承擔更大的職責。
但，你酸了！ 別人看源碼你打游戲、別人學算法你刷某音、別人寫博客你浪98。所以，沒有把時間用到個人成長上，就一直會被別人榨取。
二、面試題
謝飛機，總感覺自己有技術瓶頸、有知識盲區，但是又不知道在哪。所以約面試官聊天，雖然也面不過去！
面試官：飛機，你又抱着大臉，來白嫖我了啦？
謝飛機：嘿嘿，我需要知識，我渴。
面試官：好，那今天聊聊最常用的 String 吧，你怎么初始化一個字符串類型。
謝飛機：String str = "abc";
面試官：還有嗎？
謝飛機：還有？啊，這樣 String str = new String("abc"); 😄
面試官：還有嗎？
謝飛機：啊！？還有！不知道了！
面試官：你不懂 String，你沒看過源碼。還可以這樣；new String(new char[]{'c', 'd'}); 回家再學學吧，下次記得給我買百事，我不喝可口。
三、StringBuilder 比 String 快嗎？
1. StringBuilder 比 String 快，證據呢？
老子代碼一把梭，總有人絮叨這么搞不好，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 耗時：" + (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 耗時" + (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 耗時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");
綜上，分別使用了 String、StringBuilder、StringBuffer，做字符串鏈接操作(100個、1000個、1萬個、10萬個、100萬個)，記錄每種方式的耗時。最終匯總圖表如下；
從上圖可以得出以下結論；
String字符串鏈接是耗時的，尤其數據量大的時候，簡直沒法使用了。這是做實驗，基本也不會有人這么干！StringBuilder、StringBuffer，因為沒有發生多線程競爭也就沒有🔒鎖升級，所以兩個類耗時幾乎相同，當然在單線程下更推薦使用StringBuilder。
2. StringBuilder 比 String 快， 為什么？
String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
str += i;
}
這段代碼就是三種字符串拼接方式，最慢的一種。不是說這種+加的符號，會被優化成 StringBuilder 嗎，那怎么還慢？
確實會被JVM編譯期優化，但優化成什么樣子了呢，先看下字節碼指令；javap -c ApiTest.class
一看指令碼，這不是在循環里(if_icmpgt)給我 new 了 StringBuilder 了嗎，怎么還這么慢呢？再仔細看，其實你會發現，這new是在循環里嗎呀，我們把這段代碼寫出來再看看；
String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
str = new StringBuilder().append(str).append(i).toString();
}
現在再看這段代碼就很清晰了，所有的字符串鏈接操作，都需要實例化一次StringBuilder，所以非常耗時。並且你可以驗證，這樣寫代碼耗時與字符串直接鏈接是一樣的。 所以把StringBuilder 提到上一層 for 循環外更快。
四、String 源碼分析
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
在與 謝飛機 的面試題中，我們聊到了 String 初始化的問題，按照一般我們應用的頻次上，能想到的只有直接賦值，String str = "abc"; ，但因為 String 的底層數據結構是數組char value[]，所以它的初始化方式也會有很多跟數組相關的，如下；
String str_01 = "abc";
System.out.println("默認方式：" + 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);
以上這些方式都可以初始化，並且最終的結果是一致的，abc。如果說初始化的方式沒用讓你感受到它是數據結構，那么str_01.charAt(0);呢，只要你往源碼里一點，就會發現它是 O(1) 的時間復雜度從數組中獲取元素，所以效率也是非常高，源碼如下；
public char charAt(int index) {
if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
}
return value[index];
}
2. 不可變(final)
字符串創建后是不可變的，你看到的+加號連接操作，都是創建了新的對象把數據存放過去，通過源碼就可以看到；
從源碼中可以看到，String 的類和用於存放字符串的方法都用了 final 修飾，也就是創建了以后，這些都是不可變的。
舉個例子
String str_01 = "abc";
String str_02 = "abc" + "def";
String str_03 = str_01 + "def";
不考慮其他情況，對於程序初始化。以上這些代碼 str_01、str_02、str_03，都會初始化幾個對象呢？其實這個初始化幾個對象從側面就是反應對象是否可變性。
接下來我們把上面代碼反編譯，通過指令碼看到底創建了幾個對象。
反編譯下
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"，指令碼：0: ldc，創建了一個對象。str_02 = "abc" + "def"，指令碼：3: ldc // String abcdef，得益於JVM編譯期的優化，兩個字符串會進行相連，創建一個對象存儲。str_03 = str_01 + "def"，指令碼：invokevirtual，這個就不一樣了，它需要把兩個字符串相連，會創建StringBuilder對象，直至最后toString:()操作，共創建了三個對象。
所以，我們看到，字符串的創建是不能被修改的，相連操作會創建出新對象。
3. intern()
3.1 經典題目
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);
這是一道經典的 String 字符串面試題，乍一看可能還會有點暈。答案如下；
false
false
true
false
true
3.2 源碼分析
看了答案有點感覺了嗎，其實可能你了解方法 intern()，這里先看下它的源碼；
/**
* 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™ 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();
這段代碼和注釋什么意思呢？
native，說明 intern() 是一個本地方法，底層通過JNI調用C++語言編寫的功能。
\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);
}
- 代碼塊有點長這里只截取了部分內容，源碼可以學習開源jdk代碼，連接： https://codeload.github.com/abhijangda/OpenJDK8/zip/master
- C++這段代碼有點像HashMap的哈希桶+鏈表的數據結構，用來存放字符串，所以如果哈希值沖突嚴重，就會導致鏈表過長。這在我們講解hashMap中已經介紹，可以回看 HashMap源碼
- StringTable 是一個固定長度的數組
1009個大小，jdk1.6不可調、jdk1.7可以設置-XX:StringTableSize，按需調整。
3.3 問題圖解
看圖說話，如下；
- 先說
==，基礎類型比對的是值，引用類型比對的是地址。另外，equal 比對的是哈希值。 - 兩個new出來的對象，地址肯定不同，所以是false。
- intern()，直接把值推進了常量池，所以兩個對象都做了
intern()操作后，比對是常量池里的值。 str_3 = "ab"，賦值，JVM編譯器做了優化，不會重新創建對象，直接引用常量池里的值。所以str_1.intern() == str_3，比對結果是true。
理解了這個結構，根本不需要死記硬背應對面試，讓懂了就是真的懂，大腦也會跟着愉悅。
五、StringBuilder 源碼分析
1. 初始化
new StringBuilder();
new StringBuilder(16);
new StringBuilder("abc");
這幾種方式都可以初始化，你可以傳一個初始化容量，也可以初始化一個默認的字符串。它的源碼如下；
public StringBuilder() {
super(16);
}
AbstractStringBuilder(int capacity) {
value = new char[capacity];
}
定睛一看，這就是在初始化數組呀！那是不操作起來跟使用 ArrayList 似的呀！
2. 添加元素
stringBuilder.append("a");
stringBuilder.append("b");
stringBuilder.append("c");
添加元素的操作很簡單，使用 append 即可，那么它是怎么往數組中存放的呢，需要擴容嗎？
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;
}
- 這個是
public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder，的父類與StringBuffer共用這個方法。 - 這里包括了容量檢測、元素拷貝、記錄
count數量。
2.2 擴容操作
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，就跟操作數組的原理一樣，都需要檢測容量大小，按需擴容。擴容的容量是 n * 2 + 2，另外把原有元素拷貝到新新數組中。
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於 System.arraycopy 拷貝操作進行的，這是一個本地方法。
2.4 toString()
既然 stringBuilder 是數組，那么它是怎么轉換成字符串的呢？
stringBuilder.toString();
@Override
public String toString() {
// Create a copy, don't share the array
return new String(value, 0, count);
}
其實需要用到它是 String 字符串的時候，就是使用 String 的構造函數傳遞數組進行轉換的，這個方法在我們上面講解 String 的時候已經介紹過。
六、StringBuffer 源碼分析
StringBuffer 與 StringBuilder，API的使用和底層實現上基本一致，維度不同的是 StringBuffer 加了 synchronized 🔒鎖，所以它是線程安全的。源碼如下；
@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
toStringCache = null;
super.append(str);
return this;
}
那么，synchronized 不是重量級鎖嗎，JVM對它有什么優化呢？
其實為了減少獲得鎖與釋放鎖帶來的性能損耗，從而引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖來進行優化，它的進行一個鎖升級，如下圖(此圖引自互聯網用戶：韭韭韭韭菜，畫的非常優秀)；
- 從無鎖狀態開始，當線程進入
synchronized同步代碼塊，會檢查對象頭和棧幀內是否有當前線下ID編號，無則使用CAS替換。 - 解鎖時，會使用
CAS將Displaced Mark Word替換回到對象頭，如果成功，則表示競爭沒有發生，反之則表示當前鎖存在競爭鎖就會升級成重量級鎖。 - 另外，大多數情況下鎖🔒是不發生競爭的，基本由一個線程持有。所以，為了避免獲得鎖與釋放鎖帶來的性能損耗，所以引入鎖升級，升級后不能降級。
七、常用API
| 序號 | 方法 | 描述 |
|---|---|---|
| 1 | str.concat("cde") |
字符串連接，替換+號 |
| 2 | str.length() |
獲取長度 |
| 3 | isEmpty() |
判空 |
| 4 | str.charAt(0) |
獲取指定位置元素 |
| 5 | str.codePointAt(0) |
獲取指定位置元素，並返回ascii碼值 |
| 6 | str.getBytes() | 獲取byte[] |
| 7 | str.equals("abc") | 比較 |
| 8 | str.equalsIgnoreCase("AbC") | 忽略大小寫，比對 |
| 9 | str.startsWith("a") | 開始位置值判斷 |
| 10 | str.endsWith("c") | 結尾位置值判斷 |
| 11 | str.indexOf("b") | 判斷元素位置，開始位置 |
| 12 | str.lastIndexOf("b") | 判斷元素位置，結尾位置 |
| 13 | str.substring(0, 1) | 截取 |
| 14 | str.split(",") | 拆分，可以支持正則 |
| 15 | str.replace("a","d")、replaceAll | 替換 |
| 16 | str.toUpperCase() | 轉大寫 |
| 17 | str.toLowerCase() | 轉小寫 |
| 18 | str.toCharArray() | 轉數組 |
| 19 | String.format(str, "") | 格式化，%s、%c、%b、%d、%x、%o、%f、%a、%e、%g、%h、%%、%n、%tx |
| 20 | str.valueOf("123") | 轉字符串 |
| 21 | trim() | 格式化，首尾去空格 |
| 22 | str.hashCode() | 獲取哈希值 |
八、總結
業精於勤,荒於嬉，你學到的知識不一定只是為了面試准備，還更應該是拓展自己的技術深度和廣度。這個過程可能很痛苦，但總得需要某一個燒腦的過程，才讓其他更多的知識學起來更加容易。- 本文介紹了
String、StringBuilder、StringBuffer，的數據結構和源碼分析，更加透徹的理解后，也能更加准確的使用，不會被因為不懂而犯錯誤。 - 想把代碼寫好，至少要有這四面內容，包括；數據結構、算法、源碼、設計模式，這四方面在加上業務經驗與個人視野，才能真的把一個需求、一個大項目寫的具備良好的擴展性和易維護性。