Go 字符串拼接6種，最快的方式 -- strings.builder

我們首先來了解一下Go語言中string類型的結構定義，先來看一下官方定義：

// string is the set of all strings of 8-bit bytes, conventionally but not
// necessarily representing UTF-8-encoded text. A string may be empty, but
// not nil. Values of string type are immutable.
type string string

string是一個8位字節的集合，通常但不一定代表UTF-8編碼的文本。string可以為空，但是不能為nil。string的值是不能改變的。

string類型本質也是一個結構體，定義如下：

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer
    len int
}

stringStruct和slice還是很相似的，str指針指向的是某個數組的首地址，len代表的就是數組長度。怎么和slice這么相似，底層指向的也是數組，是什么數組呢？我們看看他在實例化時調用的方法：

//go:nosplit
func gostringnocopy(str *byte) string {
 ss := stringStruct{str: unsafe.Pointer(str), len: findnull(str)}
 s := *(*string)(unsafe.Pointer(&ss))
 return s
}

入參是一個byte類型的指針，從這我們可以看出string類型底層是一個byte類型的數組，所以我們可以畫出這樣一個圖片：

圖片

string類型本質上就是一個byte類型的數組，在Go語言中string類型被設計為不可變的，不僅是在Go語言，其他語言中string類型也是被設計為不可變的，這樣的好處就是：在並發場景下，我們可以在不加鎖的控制下，多次使用同一字符串，在保證高效共享的情況下而不用擔心安全問題。

string類型雖然是不能更改的，但是可以被替換，因為stringStruct中的str指針是可以改變的，只是指針指向的內容是不可以改變的，也就說每一個更改字符串，就需要重新分配一次內存，之前分配的空間會被gc回收。

關於string類型的知識點就描述這么多，方便我們后面分析字符串拼接。

字符串拼接的6種方式及原理

原生拼接方式"+"

Go語言原生支持使用+操作符直接對兩個字符串進行拼接，使用例子如下：

var s string
s += "asong"
s += "真帥"

這種方式使用起來最簡單，基本所有語言都有提供這種方式，使用+操作符進行拼接時，會對字符串進行遍歷，計算並開辟一個新的空間來存儲原來的兩個字符串。

字符串格式化函數fmt.Sprintf

Go語言中默認使用函數fmt.Sprintf進行字符串格式化，所以也可使用這種方式進行字符串拼接：

str := "asong"
str = fmt.Sprintf("%s%s", str, str)

fmt.Sprintf實現原理主要是使用到了反射，具體源碼分析因為篇幅的原因就不在這里詳細分析了，看到反射，就會產生性能的損耗，你們懂得！！！

Strings.builder

Go語言提供了一個專門操作字符串的庫strings，使用strings.Builder可以進行字符串拼接，提供了writeString方法拼接字符串，使用方式如下：

var builder strings.Builder
builder.WriteString("asong")
builder.String()

strings.builder的實現原理很簡單，結構如下：

type Builder struct {
    addr *Builder // of receiver, to detect copies by value
    buf  []byte // 1
}

addr字段主要是做copycheck，buf字段是一個byte類型的切片，這個就是用來存放字符串內容的，提供的writeString()方法就是像切片buf中追加數據：

func (b *Builder) WriteString(s string) (int, error) {
 b.copyCheck()
 b.buf = append(b.buf, s...)
 return len(s), nil
}

提供的String方法就是將[]]byte轉換為string類型，這里為了避免內存拷貝的問題，使用了強制轉換來避免內存拷貝：

func (b *Builder) String() string {
 return *(*string)(unsafe.Pointer(&b.buf))
}

bytes.Buffer

因為string類型底層就是一個byte數組，所以我們就可以Go語言的bytes.Buffer進行字符串拼接。bytes.Buffer是一個一個緩沖byte類型的緩沖器，這個緩沖器里存放着都是byte。使用方式如下：

buf := new(bytes.Buffer)
buf.WriteString("asong")
buf.String()

bytes.buffer底層也是一個[]byte切片，結構體如下：

type Buffer struct {
 buf      []byte // contents are the bytes buf[off : len(buf)]
 off      int    // read at &buf[off], write at &buf[len(buf)]
 lastRead readOp // last read operation, so that Unread* can work correctly.
}

因為bytes.Buffer可以持續向Buffer尾部寫入數據，從Buffer頭部讀取數據，所以off字段用來記錄讀取位置，再利用切片的cap特性來知道寫入位置，這個不是本次的重點，重點看一下WriteString方法是如何拼接字符串的：

func (b *Buffer) WriteString(s string) (n int, err error) {
 b.lastRead = opInvalid
 m, ok := b.tryGrowByReslice(len(s))
 if !ok {
  m = b.grow(len(s))
 }
 return copy(b.buf[m:], s), nil
}

切片在創建時並不會申請內存塊，只有在往里寫數據時才會申請，首次申請的大小即為寫入數據的大小。如果寫入的數據小於64字節，則按64字節申請。采用動態擴展slice的機制，字符串追加采用copy的方式將追加的部分拷貝到尾部，copy是內置的拷貝函數，可以減少內存分配。

但是在將[]byte轉換為string類型依舊使用了標准類型，所以會發生內存分配：

func (b *Buffer) String() string {
 if b == nil {
  // Special case, useful in debugging.
  return "<nil>"
 }
 return string(b.buf[b.off:])
}

strings.join

Strings.join方法可以將一個string類型的切片拼接成一個字符串，可以定義連接操作符，使用如下：

baseSlice := []string{"asong", "真帥"}
strings.Join(baseSlice, "")

strings.join也是基於strings.builder來實現的，代碼如下：

func Join(elems []string, sep string) string {
 switch len(elems) {
 case 0:
  return ""
 case 1:
  return elems[0]
 }
 n := len(sep) * (len(elems) - 1)
 for i := 0; i < len(elems); i++ {
  n += len(elems[i])
 }

 var b Builder
 b.Grow(n)
 b.WriteString(elems[0])
 for _, s := range elems[1:] {
  b.WriteString(sep)
  b.WriteString(s)
 }
 return b.String()
}

唯一不同在於在join方法內調用了b.Grow(n)方法，這個是進行初步的容量分配，而前面計算的n的長度就是我們要拼接的slice的長度，因為我們傳入切片長度固定，所以提前進行容量分配可以減少內存分配，很高效。

切片append

因為string類型底層也是byte類型數組，所以我們可以重新聲明一個切片，使用append進行字符串拼接，使用方式如下：

buf := make([]byte, 0)
base = "asong"
buf = append(buf, base...)
string(base)

如果想減少內存分配，在將[]byte轉換為string類型時可以考慮使用強制轉換。

Benchmark對比

上面我們總共提供了6種方法，原理我們基本知道了，那么我們就使用Go語言中的Benchmark來分析一下到底哪種字符串拼接方式更高效。我們主要分兩種情況進行分析：

• 少量字符串拼接
• 大量字符串拼接

因為代碼量有點多，下面只貼出分析結果，詳細代碼已經上傳github：https://github.com/asong2020/Golang_Dream/tree/master/code_demo/string_join

我們先定義一個基礎字符串：

var base  = "123456789qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmQWERTYUIOPASFGHJKLZXCVBNM"

少量字符串拼接的測試我們就采用拼接一次的方式驗證，base拼接base，因此得出benckmark結果：

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/once
cpu: Intel(R) Core(TM) i9-9880H CPU @ 2.30GHz
BenchmarkSumString-16           21338802                49.19 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkSprintfString-16        7887808               140.5 ns/op           160 B/op          3 allocs/op
BenchmarkBuilderString-16       27084855                41.39 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkBytesBuffString-16      9546277               126.0 ns/op           384 B/op          3 allocs/op
BenchmarkJoinstring-16          24617538                48.21 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkByteSliceString-16     10347416               112.7 ns/op           320 B/op          3 allocs/op
PASS
ok      asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/once     8.412s

大量字符串拼接的測試我們先構建一個長度為200的字符串切片：

var baseSlice []string
for i := 0; i < 200; i++ {
  baseSlice = append(baseSlice, base)
}

然后遍歷這個切片不斷的進行拼接，因為可以得出benchmark:

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/muliti
cpu: Intel(R) Core(TM) i9-9880H CPU @ 2.30GHz
BenchmarkSumString-16                       7396            163612 ns/op         1277713 B/op        199 allocs/op
BenchmarkSprintfString-16                   5946            202230 ns/op         1288552 B/op        600 allocs/op
BenchmarkBuilderString-16                 262525              4638 ns/op           40960 B/op          1 allocs/op
BenchmarkBytesBufferString-16             183492              6568 ns/op           44736 B/op          9 allocs/op
BenchmarkJoinstring-16                    398923              3035 ns/op           12288 B/op          1 allocs/op
BenchmarkByteSliceString-16               144554              8205 ns/op           60736 B/op         15 allocs/op
PASS
ok      asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/muliti   10.699s

結論

通過兩次benchmark對比，我們可以看到

• 當進行少量字符串拼接時，直接使用+操作符進行拼接字符串，效率還是挺高的，但是當要拼接的字符串數量上來時，+操作符的性能就比較低了；
• 函數fmt.Sprintf還是不適合進行字符串拼接，無論拼接字符串數量多少，性能損耗都很大，還是老老實實做他的字符串格式化就好了；
• strings.Builder無論是少量字符串的拼接還是大量的字符串拼接，性能一直都能穩定，這也是為什么Go語言官方推薦使用strings.builder進行字符串拼接的原因，在使用strings.builder時最好使用Grow方法進行初步的容量分配，觀察strings.join方法的benchmark就可以發現，因為使用了grow方法，提前分配好內存，在字符串拼接的過程中，不需要進行字符串的拷貝，也不需要分配新的內存，這樣使用strings.builder性能最好，且內存消耗最小。
• bytes.Buffer方法性能是低於strings.builder的，bytes.Buffer 轉化為字符串時重新申請了一塊空間，存放生成的字符串變量，不像strings.buidler這樣直接將底層的 []byte 轉換成了字符串類型返回，這就占用了更多的空間。

同步最后分析的結論：

無論什么情況下使用strings.builder進行字符串拼接都是最高效的，不過要主要使用方法，記得調用grow進行容量分配，才會高效。strings.join的性能約等於strings.builder，在已經字符串slice的時候可以使用，未知時不建議使用，構造切片也是有性能損耗的；如果進行少量的字符串拼接時，直接使用+操作符是最方便也是性能最高的，可以放棄strings.builder的使用。

綜合對比性能排序：

strings.join` ≈ `strings.builder` > `bytes.buffer` > `[]byte`轉換`string` > "+" > `fmt.sprintf

總結

本文我們針對6種字符串的拼接方式進行介紹，並通過benckmark對比了效率，無論什么時候使用strings.builder都不會錯，但是在少量字符串拼接時，直接+也就是更優的方式，具體業務場景具體分析，不要一概而論