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探秘Java中String、StringBuilder以及StringBuffer

 刘星石
发布于 2016/03/01 13:33
字数 4154
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相信String这个类是Java中使用得最频繁的类之一,并且又是各大公司面试喜欢问到的地方,今天就来和大家一起学习一下String、StringBuilder和StringBuffer这几个类,分析它们的异同点以及了解各个类适用的场景。下面是本文的目录大纲:

一.你了解String类吗?

二.深入理解String、StringBuffer、StringBuilder

三.不同场景下三个类的性能测试

四.常见的关于String、StringBuffer的面试题(辟谣网上流传的一些曲解String类的说法)

若有不正之处,请多多谅解和指正,不胜感激。

一.你了解String类吗?

想要了解一个类,最好的办法就是看这个类的实现源代码,String类的实现在

\jdk1.6.0_14\src\java\lang\String.java   文件中。

打开这个类文件就会发现String类是被final修饰的:

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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;
 
     ......
 
}

从上面可以看出几点:

1)String类是final类,也即意味着String类不能被继承,并且它的成员方法都默认为final方法。在Java中,被final修饰的类是不允许被继承的,并且该类中的成员方法都默认为final方法。在早期的JVM实现版本中,被final修饰的方法会被转为内嵌调用以提升执行效率。而从Java SE5/6开始,就渐渐摈弃这种方式了。因此在现在的Java SE版本中,不需要考虑用final去提升方法调用效率。只有在确定不想让该方法被覆盖时,才将方法设置为final。

2)上面列举出了String类中所有的成员属性,从上面可以看出String类其实是通过char数组来保存字符串的。

下面再继续看String类的一些方法实现:

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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 ;

从上面的三个方法可以看出,无论是sub操、concat还是replace操作都不是在原有的字符串上进行的,而是重新生成了一个新的字符串对象。也就是说进行这些操作后,最原始的字符串并没有被改变。

在这里要永远记住一点:

“对String对象的任何改变都不影响到原对象,相关的任何change操作都会生成新的对象”。

在了解了于String类基础的知识后,下面来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”)的区别

想必大家对上面2个语句都不陌生,在平时写代码的过程中也经常遇到,那么它们到底有什么区别和联系呢?下面先看几个例子:

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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);
     }
}

这段代码的输出结果为

为什么会出现这样的结果?下面解释一下原因:

在前面一篇讲解关于JVM内存机制的一篇博文中提到 ,在class文件中有一部分 来存储编译期间生成的 字面常量以及符号引用,这部分叫做class文件常量池,在运行期间对应着方法区的运行时常量池。

因此在上述代码中,String str1 = “hello world”;和String str3 = “hello world”; 都在编译期间生成了 字面常量和符号引用,运行期间字面常量”hello world”被存储在运行时常量池(当然只保存了一份)。通过这种方式来将String对象跟引用绑定的话,JVM执行引擎会先在运行时常量池查找是否存在相同的字面常量,如果存在,则直接将引用指向已经存在的字面常量;否则在运行时常量池开辟一个空间来存储该字面常量,并将引用指向该字面常量。

总所周知,通过new关键字来生成对象是在堆区进行的,而在堆区进行对象生成的过程是不会去检测该对象是否已经存在的。因此通过new来创建对象,创建出的一定是不同的对象,即使字符串的内容是相同的。

2.String、StringBuffer以及StringBuilder的区别

既然在Java中已经存在了String类,那为什么还需要StringBuilder和StringBuffer类呢?

那么看下面这段代码:

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public class Main {
 
     public static void main(String[] args) {
         String string = "" ;
         for ( int i= 0 ;i< 10000 ;i++){
             string += "hello" ;
         }
     }
}

这句 string += “hello”;的过程相当于将原有的string变量指向的对象内容取出与”hello”作字符串相加操作再存进另一个新的String对象当中,再让string变量指向新生成的对象。如果大家还有疑问可以反编译其字节码文件便清楚了:

从这段反编译出的字节码文件可以很清楚地看出:从第8行开始到第35行是整个循环的执行过程,并且每次循环会new出一个StringBuilder对象,然后进行append操作,最后通过toString方法返回String对象。也就是说这个循环执行完毕new出了10000个对象,试想一下,如果这些对象没有被回收,会造成多大的内存资源浪费。从上面还可以看出:string+=”hello”的操作事实上会自动被JVM优化成:

StringBuilder str = new StringBuilder(string);

str.append(“hello”);

str.toString();

再看下面这段代码:

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public class Main {
 
     public static void main(String[] args) {
         StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
         for ( int i= 0 ;i< 10000 ;i++){
             stringBuilder.append( "hello" );
         }
     }
}

反编译字节码文件得到:

从这里可以明显看出,这段代码的for循环式从13行开始到27行结束,并且new操作只进行了一次,也就是说只生成了一个对象,append操作是在原有对象的基础上进行的。因此在循环了10000次之后,这段代码所占的资源要比上面小得多。

那么有人会问既然有了StringBuilder类,为什么还需要StringBuffer类?查看源代码便一目了然,事实上,StringBuilder和StringBuffer类拥有的成员属性以及成员方法基本相同,区别是StringBuffer类的成员方法前面多了一个关键字:synchronized,不用多说,这个关键字是在多线程访问时起到安全保护作用的,也就是说StringBuffer是线程安全的。

下面摘了2段代码分别来自StringBuffer和StringBuilder,insert方法的具体实现:

StringBuilder的insert方法

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public StringBuilder insert( int index, char str[], int offset,
                               int len)
   {
       super .insert(index, str, offset, len);
   return this ;
   }

StringBuffer的insert方法:

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public synchronized StringBuffer insert( int index, char str[], int offset,
                                             int len)
     {
         super .insert(index, str, offset, len);
         return this ;
     }

三.不同场景下三个类的性能测试

从第二节我们已经看出了三个类的区别,这一小节我们来做个小测试,来测试一下三个类的性能区别:

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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()+ "类型使用的时间为:" +(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()+ "类型使用的时间为:" +(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()+ "类型使用的时间为:" +(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( "字符串间接相加操作:" +(over-begin)+ "毫秒" );
     }
 
}

测试结果(win7,Eclipse,JDK6):

上面提到string+=”hello”的操作事实上会自动被JVM优化,看下面这段代码:

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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()+ "类型使用的时间为:" +(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( "模拟JVM优化操作的时间为:" +(over-begin)+ "毫秒" );
     }
 
}

执行结果:

得到验证。

下面对上面的执行结果进行一般性的解释:

1)对于直接相加字符串,效率很高,因为在编译器便确定了它的值,也就是说形如”I”+”love”+”java”; 的字符串相加,在编译期间便被优化成了”Ilovejava”。这个可以用javap -c命令反编译生成的class文件进行验证。

对于间接相加(即包含字符串引用),形如s1+s2+s3; 效率要比直接相加低,因为在编译器不会对引用变量进行优化。

2)String、StringBuilder、StringBuffer三者的执行效率:

StringBuilder > StringBuffer > String

当然这个是相对的,不一定在所有情况下都是这样。

比如String str = “hello”+ “world”的效率就比 StringBuilder st  = new StringBuilder().append(“hello”).append(“world”)要高。

因此,这三个类是各有利弊,应当根据不同的情况来进行选择使用:

当字符串相加操作或者改动较少的情况下,建议使用 String str=”hello”这种形式;

当字符串相加操作较多的情况下,建议使用StringBuilder,如果采用了多线程,则使用StringBuffer。

四.常见的关于String、StringBuffer的面试题

下面是一些常见的关于String、StringBuffer的一些面试笔试题,若有不正之处,请谅解和批评指正。

1. 下面这段代码的输出结果是什么?

String a = “hello2″;   String b = “hello” + 2;   System.out.println((a == b));

输出结果为:true。原因很简单,”hello”+2在编译期间就已经被优化成”hello2″,因此在运行期间,变量a和变量b指向的是同一个对象。

2.下面这段代码的输出结果是什么?

String a = “hello2″;    String b = “hello”;       String c = b + 2;       System.out.println((a == c));

输出结果为:false。由于有符号引用的存在,所以  String c = b + 2;不会在编译期间被优化,不会把b+2当做字面常量来处理的,因此这种方式生成的对象事实上是保存在堆上的。因此a和c指向的并不是同一个对象。javap -c得到的内容:

3.下面这段代码的输出结果是什么?

String a = “hello2″;     final String b = “hello”;       String c = b + 2;       System.out.println((a == c));

输出结果为:true。对于被final修饰的变量,会在class文件常量池中保存一个副本,也就是说不会通过连接而进行访问,对final变量的访问在编译期间都会直接被替代为真实的值。那么String c = b + 2;在编译期间就会被优化成:String c = “hello” + 2; 下图是javap -c的内容:

4.下面这段代码输出结果为:


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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" ;
     }
}

输出结果为false。这里面虽然将b用final修饰了,但是由于其赋值是通过方法调用返回的,那么它的值只能在运行期间确定,因此a和c指向的不是同一个对象。

5.下面这段代码的输出结果是什么?


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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);
     }
}

输出结果为(JDK版本 JDK6):

这里面涉及到的是String.intern方法的使用。在String类中,intern方法是一个本地方法,在JAVA SE6之前,intern方法会在运行时常量池中查找是否存在内容相同的字符串,如果存在则返回指向该字符串的引用,如果不存在,则会将该字符串入池,并返回一个指向该字符串的引用。因此,a和d指向的是同一个对象。

6.String str = new String(“abc”)创建了多少个对象?

这个问题在很多书籍上都有说到比如《Java程序员面试宝典》,包括很多国内大公司笔试面试题都会遇到,大部分网上流传的以及一些面试书籍上都说是2个对象,这种说法是片面的。

如果有不懂得地方可以参考这篇帖子:

http://rednaxelafx.iteye.com/blog/774673/

首先必须弄清楚创建对象的含义,创建是什么时候创建的?这段代码在运行期间会创建2个对象么?毫无疑问不可能,用javap -c反编译即可得到JVM执行的字节码内容:

很显然,new只调用了一次,也就是说只创建了一个对象。

而这道题目让人混淆的地方就是这里,这段代码在运行期间确实只创建了一个对象,即在堆上创建了”abc”对象。而为什么大家都在说是2个对象呢,这里面要澄清一个概念  该段代码执行过程和类的加载过程是有区别的。在类加载的过程中,确实在运行时常量池中创建了一个”abc”对象,而在代码执行过程中确实只创建了一个String对象。

因此,这个问题如果换成 String str = new String(“abc”)涉及到几个String对象?合理的解释是2个。

个人觉得在面试的时候如果遇到这个问题,可以向面试官询问清楚”是这段代码执行过程中创建了多少个对象还是涉及到多少个对象“再根据具体的来进行回答。

7.下面这段代码1)和2)的区别是什么?


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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”在编译期间会被优化成”lovejava”,而2)中的不会被优化。下面是两种方式的字节码:

1)的字节码:

2)的字节码:

可以看出,在1)中只进行了一次append操作,而在2)中进行了两次append操作。

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