通过源码分析String、StringBuffer和StringBuilder

时间：2022-08-12 04:01:48

0x00 简介

又翻出来了在15年整理的笔记了。感觉当初还是挺较真的。

自己对String的理解总是存在着不同程度的误差，经常处于一知半解的状态，而且对其内部的原理也不是特别清楚，碰巧又和同学聊起这个知识点，秉承爱折腾的原则，在论文答辩之际详细整理一下。

0x01 说明

最初听说的String、StringBuffer和StringBuilder三者之间的区别主要是下面这个版本（略作总结）：

  • String：字符串常量，字符串长度不可变。Java中String是immutable（不可变）的。用于存放字符的数组被声明为final的，因此只能赋值一次，不可再更改。

  • StringBuffer：字符串变量（Synchronized，即线程安全）。如果要频繁对字符串内容进行修改，出于效率考虑最好使用StringBuffer，如果想转成String类型，可以调用StringBuffer的toString()方法。

  • StringBuilder：字符串变量（非线程安全）。在内部，StringBuilder对象被当作是一个包含字符序列的变长数组。

  • 一般情况下,速度从快到慢：StringBuilder > StringBuffer > String。

0x02 详细分析

下面通过不同的角度来对这三个String相关的类型进行详细的分析和学习，主要通过源码以及反编译的字节码进行学习，另外对于常拿来比较三者之间性能的例子就不再重复了，整理下面内容的主要目标是深入理解这三者的区别。

下面将分别对这三者进行说明，都先从源码中观测一下其创建的过程，以及如何进行添加操作，随后对三个类型做同一种测试，即字符串的拼接，通过虚指令观测其虚拟机层面的执行原理，最后做一个总结。

String

源码

下面是String在jdk中的源码片段，可以看出，String类中实际存放数据是一个以final 类型的char数组，也就是说该数组是不可变的。


public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
private final char value[];

public String() {
this.value = new char[0];
    }

public String(char value[]) {
this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
    }

public String(String original) {
this.value = original.value;
this.hash = original.hash;
    }
}

例子

简单代码

public class StringTest {
public static void main(String[] args) {
        String s = "string ";
        s += "is a good boy!";
        s += "really?";
    }
}

从下面的虚指令中可以看出，在往字符串s中添加新内容的时候，其过程在下面代码中注释。

[]$ javap -p -v StringTest
    Classfile /home/hadoop/zhdd/StringTest.class
      Last modified Dec 6, 2015; size 511 bytes
      MD5 checksum f960070f295b4e22de6bffe8f06634f4
      Compiled from "StringTest.java"
public class StringTest
      SourceFile: "StringTest.java"
      minor version: 0
      major version: 51
      flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
    Constant pool:
#1 = Methodref #10.#19 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = String #20 // string 
#3 = Class #21 // java/lang/StringBuilder
#4 = Methodref #3.#19 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
#5 = Methodref #3.#22 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#6 = String #23 // is a good boy!
#7 = Methodref #3.#24 // java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
#8 = String #25 // really?
#9 = Class #26 // StringTest
#10 = Class #27 // java/lang/Object
      ......
    {
     ......
public static void main(java.lang.String[]);
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: ldc           #2 // 将常量池中的“string ”推到栈顶
2: astore_1                          // 再将栈顶的“string ”存入局部变量表
3: new           #3 // new一个StringBuilder
6: dup           
7: invokespecial #4 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
10: aload_1                           // 将一个局部变量加载到操作栈，即“string”
11: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
14: ldc           #6 // String is a good boy!
16: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
19: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
22: astore_1      
23: new           #3 // new一个StringBuilder,在这里可以看出来，每次拼接一个数组就要new一个StringBuilder
26: dup           
27: invokespecial #4 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
30: aload_1       
31: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
34: ldc           #8 // String really?
36: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
39: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
42: astore_1      
43: return        
          LineNumberTable:
            line 8: 0
            line 9: 3
            line 10: 23
            line 13: 43
    }

StringBuilder

源码

通过StringBuilder可以看出，StringBuilder继承自AbstractStringBuilder，而且初始化以及appen新的字符串的主要操作都在AbstractStringBuilder中，因此下面主要看一下AbstractStringBuilder的源码。

public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements java.io.Serializable, CharSequence {
public StringBuilder() {
super(16);
        }
public StringBuilder(int capacity) {
super(capacity);
    }
public StringBuilder append(String str) {
super.append(str);
return this;
    }

下面是AbstractStringBuilder的部分源码，在源码中可以看出，AbstractStringBuilder在存放数值的也是一个char型的数组，不同的是，没有加final修饰符。

初始化的过程和String类似，在append的时候可以看出，AbstractStringBuilder是类似于扩充数组大小的方式先扩容，再添加进去新的元素。

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
char[] value;
int count;
    AbstractStringBuilder(int capacity) {
        value = new char[capacity];
    }
public AbstractStringBuilder append(String str) {
if (str == null) str = "null";
int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;
return this;
    }
}

例子

下面是StringBuilder拼接字符串的一个简单的例子。

public class StringBuilderTest {
public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sd = new StringBuilder();
        sd.append("Stringbuilder ");
        sd.append("is a good boy!");
    }
}

在虚指令中可以看出，StringBuilder和String不同的是，StringBuilder在append字符串的时候直接拼接就行，不需要每次都new一个新的StringBuilder对象。

[hadoop@x129 zhdd]$ javap -p -v StringBuilderTest
......
Constant pool:
#1 = Methodref #8.#17 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #18 // java/lang/StringBuilder
#3 = Methodref #2.#17 // java/lang/StringBuilder."<init>":()V
#4 = String #19 // Stringbuilder 
#5 = Methodref #2.#20 // java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
#6 = String #21 // is a good boy!
#7 = Class #22 // StringBuilderTest
   ......
{
public StringBuilderTest();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0       
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return        
      LineNumberTable:
        line 1: 0
public static void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: new           #2 // class java/lang/StringBuilder
3: dup           
4: invokespecial #3 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
7: astore_1      
8: aload_1       
9: ldc           #4 // String Stringbuilder 
11: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
14: pop           
15: aload_1       
16: ldc           #6 // String is a good boy!
18: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
21: pop           
22: return        
     ......
}

StringBuffer

源码

可以看出StringBuffer也是继承自AbstractStringBuilder，而且它的主要操作都是调用super()来操作实现的，唯一不同的是在append等操作的时候添加了synchronized限定，因此是线程安全的。由于StringBuffer和StringBuilder的主要操作都是在父类AbstractStringBuilder中完成的，因此所谓的StringBuilder比StringBuffer的速度快的主要原因应该是synchronized造成的。

public final class StringBuffer extends AbstractStringBuilder implements java.io.Serializable, CharSequence {

public StringBuffer() {
super(16);
    }
public StringBuffer(String str) {
super(str.length() + 16);
        append(str);
    }

public synchronized StringBuffer append(String str) {
super.append(str);
return this;
    }
public synchronized StringBuffer append(StringBuffer sb) {
super.append(sb);
return this;
    }
}

例子

如下示例基本和StringBuilder的代码相同。

public class StringBufferTest {
public static void main(String[] args) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append("string buffer:");
        sb.append("is a good boy!");
    }
}

在虚指令中看，可以看出，两者的操作基本没有太多区别，不过多解释。


[]$ javap -v -p StringBufferTest
......
Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#17         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #18            //  java/lang/StringBuffer
   #3 = Methodref          #2.#17         //  java/lang/StringBuffer."<init>":()V
   #4 = String             #19            //  string buffer:
   #5 = Methodref          #2.#20         //  java/lang/StringBuffer.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuffer;
   #6 = String             #21            //  is a good boy!
   #7 = Class              #22            //  StringBufferTest
   #8 = Class              #23            //  java/lang/Object
   #9 = Utf8               <init>
 ......
{
  public StringBufferTest();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return        
      LineNumberTable:
        line 1: 0
      public static void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/StringBuffer
         3: dup           
         4: invokespecial #3                  // Method java/lang/StringBuffer."<init>":()V
         7: astore_1      
         8: aload_1       
         9: ldc           #4                  // String string buffer:
        11: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuffer.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuffer;
        14: pop           
        15: aload_1       
        16: ldc           #6                  // String is a good boy!
        18: invokevirtual #5                  // Method java/lang/StringBuffer.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuffer;
        21: pop           
        22: return        
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 8
        line 5: 15
        line 6: 22
}

0x04 总结

通过上面的测试结果可以解释String、StringBuffer和StringBuilder之间的区别。

性能问题

速度比较：StringBuilder > StringBuffer > String。

为什么有这样的情况，首先分析StringBuilder > String，这个的主要原因可以在两个例子对比中看出，在String中，每次拼接新的字符串，都会new一个StringBuilder对象，也就是说如果拼接N次，就需要new出来N个StringBuilder对象，这样无疑上速度会慢很多。

再分析StringBuilder > StringBuffer的原因，这个其实已经比较明确，在前文中指出，StringBuffer和StringBuilder的主要不同是StringBuffer加了synchronized修饰，其余的操作都是继承自AbstractStringBuilder父类。

线程安全

线程安全就是synchronized的却别，在源码中可以看到。

补充

之前理解的时候一直有一个误区，就是在性能的区分上，StringBuilder比String快的原因是StringBuilder没有存放在常量池中而是存放在一些特殊的区域，但是在以上的例子中可以看出，其实在拼接过程中的所有的string都是存放在常量池中的，不同的主要是拼接的方式。

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