面试常备,字符串三剑客 String、StringBuffer、StringBuilder

字符串操作毫无疑问是计算机程序设计中最常见的行为之一,在 Java 大展拳脚的 Web 系统中更是如此。

全文脉络思维导图如下:

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1. 三剑客之首:不可变的 String

概述

「Java 没有内置的字符串类型」, 而是在标准 Java 类库中提供了一个「预定义类」 String。每个用「双引号括起来的字符串都是 String 类的一个实例」:

String e = “”; // 空串

String str = “hello”;

看一下 String 的源码,「在 Java 8 中,String 内部是使用 char 数组来存储数据的」。

public final class String

implements java.io.Serializable, Comparable , CharSequence {

/** The value is used for character storage. */

private final char value[];

}

?

可以看到,String 类是被 final 修饰的,因此 「String 类不允许被继承」。

?

「而在 Java 9 之后,String 类的实现改用 byte 数组存储字符串」,同时使用 coder 来标识使用了哪种编码。

public final class String

implements java.io.Serializable, Comparable , CharSequence {

/** The value is used for character storage. */

private final byte[] value;

/** The identifier of the encoding used to encode the bytes in {@code value}. */

private final byte coder;

}

不过,无论是 Java 8 还是 Java 9,「用来存储数据的 char 或者 byte 数组 value 都一直是被声明为 final 的」,这意味着 value 数组初始化之后就不能再引用其它数组了。并且 String内部没有改变 value 数组的方法,因此我们就说 String 是不可变的。

所谓不可变,就如同数字 3 永远是数字 3 —样,字符串 “hello” 永远包含字符 h、e、1、1 和 o 的代码单元序列, 不能修改其中的任何一个字符。当然, 可以修改字符串变量 str, 让它引用另外一个字符串, 这就如同可以将存放 3 的数值变量改成存放 4 一样。

我们看个例子:

String str = “asdf”;

String x = str.toUpperCase();

toUpperCase 用来将字符串全部转为大写字符,进入 toUpperCase 的源码我们发现,这个看起来会修改 String 值的方法,实际上最后是创建了一个全新的 String 对象,而最初的 String 对象则丝毫未动。

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空串与 Null

空串 “” 很好理解,就是长度为 0 的字符串。可以调用以下代码检查一个字符串是否为空:

if(str.length() == 0){

// todo

}

或者

if(str.equals(“”)){

// todo

}

「空串是一个 Java 对象」, 有自己的串长度( 0 ) 和内容(空),也就是 value 数组为空。

String变量还可以存放一个特殊的值, 名为 null,这表示「目前没有任何对象与该变量关联」。要检查一个字符串是否为 null,可如下判断:

if(str == null){

// todo

}

有时要检查一个字符串既不是 null也不为空串,这种情况下就需要使用以下条件:

if(str != null && str.length() != 0){

// todo

}

有同学就会觉得,这么简单的条件判断还用你说?没错,这虽然简单,但仍然有个小坑,就是我们「必须首先检查 str 是否为 null,因为如果在一个 null 值上调用方法,编译器会报错」。

字符串拼接

上面既然说到 String 是不可变的,我们来看段代码,为什么这里的字符串 a 却发生了改变?

String a = “hello”;

String b = “world”;

a = a + b; // a = “helloworld”

实际上,在使用 + 进行字符串拼接的时候,JVM 是初始化了一个 StringBuilder 来进行拼接的。相当于编译后的代码如下:

String a = “hello”;

String b = “world”;

StringBuilder builder = new StringBuilder();

builder.append(a);

builder.append(b);

a = builder.toString();

关于 StringBuilder 下文会详细讲解,大家现在只需要知道 StringBuilder 是可变的字符串类型就 OK 了。我们看下 builder.toString() 的源码:

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显然,toString方法同样是生成了一个新的 String 对象,而不是在旧字符串的内容上做更改,相当于把旧字符串的引用指向的新的String对象。这也就是字符串 a 发生变化的原因。

另外,我们还需要了解一个特性,当将一个字符串与一个非字符串的值进行拼接时,后者被自动转换成字符串(「任何一个 Java 对象都可以转换成字符串」)。例如:

int age = 13;

String rating = “PG” + age; // rating = “PG13”

这种特性通常用在输出语句中。例如:

int a = 12;

System.out.println(“a = ” + a);

结合上面这两特性,我们来看个小问题,「空串和 null 拼接的结果是啥」?

String str = null;

str = str + “”;

System.out.println(str);

答案是 null 大家应该都能猜出来,但为什么是 null 呢?上文说过,使用 + 进行拼接实际上是会转换为 StringBuilder 使用 append 方法进行拼接,编译后的代码如下:

String str = null;

str = str + “”;

StringBuilder builder = new StringBuilder();

builder.append(str);

builder.append(“”);

str = builder.toString();

看下 append 的源码:

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可以看出,当传入的字符串是 null 时,会调用 appendNull 方法,而这个方法会返回 null。

检测字符串是否相等

可以使用 equals方法检测两个字符串是否相等。比如:

String str = “hello”;

System.out.println(“hello”.equals(str)); // true

equals 其实是 Object 类中的一个方法,所有的类都继承于 Object 类。讲解 equals 方法之前,我们先来回顾一下运算符 == 的用法,它存在两种使用情况:

对于基本数据类型来说, == 比较的是值是否相同;

对于引用数据类型来说, == 比较的是内存地址是否相同。

举个例子:

String str1 = new String(“hello”);

String str2 = new String(“hello”);

System.out.println(str1 == str2); // false

对 Java 中数据存储区域仍然不明白的可以先回去看看第一章《万物皆对象》。对于上述代码,str1 和 str2 采用构造函数 new String() 的方式新建了两个不同字符串,以 String str1 = new String(“hello”); 为例,new 出来的对象存放在堆内存中,用一个引用 str1 来指向这个对象的地址,而这个对象的引用 str1 存放在栈内存中。str1 和 str2 是两个不同的对象,地址不同,因此 == 比较的结果也就为 false。

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而实际上,Object 类中的原始 equals 方法内部调用的还是运算符 ==,「判断的是两个对象是否具有相同的引用(地址),和 == 的效果是一样的」:

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也就是说,如果你新建的类没有覆盖 equals 方法,那么这个方法比较的就是对象的地址。而 String 方法覆盖了 equals 方法,我们来看下源码:

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可以看出,String 重写的 equals 方法比较的是对象的内容,而非地址。

总结下 equals()的两种使用情况:

情况 1:类没有覆盖 equals() 方法。则通过 equals() 比较该类的两个对象时,等价于通过 == 比较这两个对象(比较的是地址)。

情况 2:类覆盖了 equals() 方法。一般来说,我们都覆盖 equals() 方法来判断两个对象的内容是否相等,比如 String 类就是这样做的。当然,你也可以不这样做。

举个例子:

String a = new String(“ab”); // a 为一个字符串引用

String b = new String(“ab”); // b 为另一个字符串引用,这俩对象的内容一样

if (a.equals(b)) // true

System.out.println(“aEQb”);

if (a == b) // false,不是同一个对象,地址不同

System.out.println(“a==b”);

字符串常量池

字符串 String 既然作为 Java 中的一个类,那么它和其他的对象分配一样,需要耗费高昂的时间与空间代价,作为最基础最常用的数据类型,大量频繁的创建字符串,将会极大程度的影响程序的性能。为此,JVM 为了提高性能和减少内存开销,在实例化字符串常量的时候进行了一些优化:

为字符串开辟了一个「字符串常量池 String Pool」,可以理解为缓存区

创建字符串常量时,首先检查字符串常量池中是否存在该字符串

「若字符串常量池中存在该字符串,则直接返回该引用实例,无需重新实例化」;若不存在,则实例化该字符串并放入池中。

举个例子:

String str1 = “hello”;

String str2 = “hello”;

System.out.printl(“str1 == str2” : str1 == str2 ) //true

对于上面这段代码,String str1 = “hello”;, 「编译器首先会在栈中创建一个变量名为 str1 的引用,然后在字符串常量池中查找有没有值为 “hello” 的引用,如果没找到,就在字符串常量池中开辟一个地址存放 “hello” 这个字符串,然后将引用 str1 指向 “hello”」。

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需要注意的是,字符串常量池的位置在 JDK 1.7 有所变化:

「JDK 1.7 之前」,字符串常量池存在于「常量存储」(Constant storage)中

「JDK 1.7 之后」,字符串常量池存在于「堆内存」(Heap)中。

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另外,我们还「可以使用 String的 intern()方法在运行过程中手动的将字符串添加到 String Pool 中」。具体过程是这样的:

当一个字符串调用 intern() 方法时,如果 String Pool 中已经存在一个字符串和该字符串的值相等,那么就会返回 String Pool 中字符串的引用;否则,就会在 String Pool 中添加一个新的字符串,并返回这个新字符串的引用。

看下面这个例子:

String str1 = new String(“hello”);

String str3 = str1.intern();

String str4 = str1.intern();

System.out.println(str3 == str4); // true

对于 str3 来说,str1.intern() 会先在 String Pool 中查看是否已经存在一个字符串和 str1 的值相等,没有,于是,在 String Pool 中添加了一个新的值和 str1 相等的字符串,并返回这个新字符串的引用。

而对于 str4 来说,str1.intern()在 String Pool 中找到了一个字符串和 str1 的值相等,于是直接返回这个字符串的引用。因此 s3 和 s4 引用的是同一个字符串,也就是说它们的地址相同,所以 str3 == str4 的结果是 true。

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?? 「总结:」

String str = “i” 的方式,java 虚拟机会自动将其分配到常量池中;

String str = new String(“i”) 则会被分到堆内存中。可通过 intern 方法手动加入常量池

new String(“hello”) 创建了几个字符串对象

下面这行代码到底创建了几个字符串对象?仅仅只在堆中创建了一个?

String str1 = new String(“hello”);

显然不是。对于 str1 来说,new String(“hello”) 分两步走:

首先,”hello” 属于字符串字面量,因此编译时期会在 String Pool 中查找有没有值为 “hello” 的引用,如果没找到,就在字符串常量池中开辟地址空间创建一个字符串对象,指向这个 “hello” 字符串字面量;

然后,使用 new的方式又会在堆中创建一个字符串对象。

因此,使用这种方式一共会创建两个字符串对象(前提是 String Pool 中还没有 “hello” 字符串对象)。

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2. 双生子:可变的 StringBuffer 和 StringBuilder

String 字符串拼接问题

有些时候, 需要由较短的字符串构建字符串, 例如, 按键或来自文件中的单词。采用字符串拼接的方式达到此目的效率比较低。由于 String 类的对象内容不可改变,所以每当进行字符串拼接时,总是会在内存中创建一个新的对象。既耗时, 又浪费空间。例如:

String s = “Hello”;

s += “World”;

这段简单的代码其实总共产生了三个字符串,即 “Hello”、”World” 和 “HelloWorld”。”Hello” 和 “World” 作为字符串常量会在 String Pool 中被创建,而拼接操作 + 会 new 一个对象用来存放 “HelloWorld”。

使用 StringBuilder/ StringBuffer 类就可以避免这个问题的发生,毕竟 String 的 + 操作底层都是由 StringBuilder 实现的。StringBuilder 和 StringBuffer 拥有相同的父类:

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但是,StringBuilder 不是线程安全的,在多线程环境下使用会出现数据不一致的问题,而 StringBuffer 是线程安全的。这是因为在 StringBuffer 类内,常用的方法都使用了synchronized 关键字进行同步,所以是线程安全的。而 StringBuilder 并没有。这也是运行速度 StringBuilder 大于 StringBuffer 的原因了。因此,如果在单线程下,优先考虑使用 StringBuilder。

初始化操作

StringBuilder 和 StringBuffer 这两个类的 API 是相同的,这里就以 StringBuilder 为例演示其初始化操作。

StringBuiler/StringBuffer不能像 String 那样直接用字符串赋值,所以也不能那样初始化。它「需要通过构造方法来初始化」。首先, 构建一个空的字符串构建器:

StringBuilder builder = new StringBuilder();

当每次需要添加一部分内容时, 就调用 append 方法:

char ch = ‘a’;

builder.append(ch);

String str = “ert”

builder.append(str);

在需要构建字符串 String 时调用 toString 方法, 就能得到一个 String对象:

String mystr = builder.toString(); // aert

3. String、StringBuffer、StringBuilder 比较

可变性 线程安全

String 不可变 因为不可变,所以是线程安全的

StringBuffer 可变 线程安全的,因为其内部大多数方法都使用 synchronized进行同步。其效率较低

StringBuilder 可变 不是线程安全的,因为没有使用 synchronized进行同步,这也是其效率高于 StringBuffer 的原因。单线程下,优先考虑使用 StringBuilder。

关于 synchronized 保证线程安全的问题,我们后续文章再说。

?? References

《Java 核心技术 – 卷 1 基础知识 – 第 10 版》

《Thinking In Java(Java 编程思想)- 第 4 版》

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