面試常備，字符串三劍客 String、StringBuffer、StringBuilder

字符串操作毫無(wú)疑問(wèn)是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的行為之一，在 Java 大展拳腳的 Web 系統(tǒng)中更是如此。

全文脈絡(luò)思維導(dǎo)圖如下：

1. 三劍客之首：不可變的 String

概述

「Java 沒(méi)有內(nèi)置的字符串類(lèi)型」， 而是在標(biāo)準(zhǔn) Java 類(lèi)庫(kù)中提供了一個(gè)「預(yù)定義類(lèi)」?String。每個(gè)用「雙引號(hào)括起來(lái)的字符串都是?String?類(lèi)的一個(gè)實(shí)例」：

String?e?=?"";?//?空串
String?str?=?"hello";

看一下?String?的源碼，「在 Java 8 中，String?內(nèi)部是使用?char?數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的」。

public?final?class?String
????implements?java.io.Serializable,?Comparable<String>,?CharSequence?{
????/**?The?value?is?used?for?character?storage.?*/
????private?final?char?value[];
}

?

可以看到，String?類(lèi)是被?final?修飾的，因此?「String?類(lèi)不允許被繼承」。

?

「而在?Java 9?之后，String?類(lèi)的實(shí)現(xiàn)改用?byte?數(shù)組存儲(chǔ)字符串」，同時(shí)使用?coder?來(lái)標(biāo)識(shí)使用了哪種編碼。

public?final?class?String
????implements?java.io.Serializable,?Comparable<String>,?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;
}

不過(guò)，無(wú)論是 Java 8 還是 Java 9，「用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的 char 或者 byte 數(shù)組?value?都一直是被聲明為?final?的」，這意味著?value?數(shù)組初始化之后就不能再引用其它數(shù)組了。并且?String內(nèi)部沒(méi)有改變?value?數(shù)組的方法，因此我們就說(shuō)?String?是不可變的。

所謂不可變，就如同數(shù)字 3 永遠(yuǎn)是數(shù)字 3 —樣，字符串 “hello” 永遠(yuǎn)包含字符 h、e、1、1 和 o 的代碼單元序列， 不能修改其中的任何一個(gè)字符。當(dāng)然， 可以修改字符串變量 str， 讓它引用另外一個(gè)字符串， 這就如同可以將存放 3 的數(shù)值變量改成存放 4 一樣。

我們看個(gè)例子：

String?str?=?"asdf";
String?x?=?str.toUpperCase();

toUpperCase?用來(lái)將字符串全部轉(zhuǎn)為大寫(xiě)字符，進(jìn)入?toUpperCase?的源碼我們發(fā)現(xiàn)，這個(gè)看起來(lái)會(huì)修改?String?值的方法，實(shí)際上最后是創(chuàng)建了一個(gè)全新的?String?對(duì)象，而最初的?String?對(duì)象則絲毫未動(dòng)。

空串與 Null

空串?""?很好理解，就是長(zhǎng)度為 0 的字符串。可以調(diào)用以下代碼檢查一個(gè)字符串是否為空：

if(str.length()?==?0){
????//?todo
}

或者

if(str.equals("")){
?//?todo
}

「空串是一個(gè) Java 對(duì)象」， 有自己的串長(zhǎng)度（ 0 ) 和內(nèi)容（空），也就是?value?數(shù)組為空。

String變量還可以存放一個(gè)特殊的值， 名為?null，這表示「目前沒(méi)有任何對(duì)象與該變量關(guān)聯(lián)」。要檢查一個(gè)字符串是否為?null，可如下判斷：

if(str?==?null){
????//?todo
}

有時(shí)要檢查一個(gè)字符串既不是?null也不為空串，這種情況下就需要使用以下條件：

if(str?!=?null?&&?str.length()?!=?0){
????//?todo
}

有同學(xué)就會(huì)覺(jué)得，這么簡(jiǎn)單的條件判斷還用你說(shuō)？沒(méi)錯(cuò)，這雖然簡(jiǎn)單，但仍然有個(gè)小坑，就是我們「必須首先檢查 str 是否為?null，因?yàn)槿绻谝粋€(gè)?null?值上調(diào)用方法，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)」。

字符串拼接

上面既然說(shuō)到?String?是不可變的，我們來(lái)看段代碼，為什么這里的字符串 a 卻發(fā)生了改變？

String?a?=?"hello";
String?b?=?"world";
a?=?a?+?b;?//?a?=?"helloworld"

實(shí)際上，在使用?+?進(jìn)行字符串拼接的時(shí)候，JVM 是初始化了一個(gè)?StringBuilder?來(lái)進(jìn)行拼接的。相當(dāng)于編譯后的代碼如下：

String?a?=?"hello";
String?b?=?"world";
StringBuilder?builder?=?new?StringBuilder();
builder.append(a);
builder.append(b);
a?=?builder.toString();

關(guān)于?StringBuilder?下文會(huì)詳細(xì)講解，大家現(xiàn)在只需要知道?StringBuilder?是可變的字符串類(lèi)型就 OK 了。我們看下?builder.toString()?的源碼：

顯然，toString方法同樣是生成了一個(gè)新的?String?對(duì)象，而不是在舊字符串的內(nèi)容上做更改，相當(dāng)于把舊字符串的引用指向的新的String對(duì)象。這也就是字符串?a?發(fā)生變化的原因。

另外，我們還需要了解一個(gè)特性，當(dāng)將一個(gè)字符串與一個(gè)非字符串的值進(jìn)行拼接時(shí)，后者被自動(dòng)轉(zhuǎn)換成字符串（「任何一個(gè) Java 對(duì)象都可以轉(zhuǎn)換成字符串」）。例如：

int?age?=?13;
String?rating?=?"PG"?+?age;?//?rating?=?"PG13"

這種特性通常用在輸出語(yǔ)句中。例如：

int?a?=?12;
System.out.println("a?=?"?+?a);

結(jié)合上面這兩特性，我們來(lái)看個(gè)小問(wèn)題，「空串和?null?拼接的結(jié)果是啥」？

String?str?=?null;
str?=?str?+?"";
System.out.println(str);

答案是?null?大家應(yīng)該都能猜出來(lái)，但為什么是?null?呢？上文說(shuō)過(guò)，使用?+?進(jìn)行拼接實(shí)際上是會(huì)轉(zhuǎn)換為?StringBuilder?使用?append?方法進(jìn)行拼接，編譯后的代碼如下：

String?str?=?null;
str?=?str?+?"";
StringBuilder?builder?=?new?StringBuilder();
builder.append(str);
builder.append("");
str?=?builder.toString();

看下?append?的源碼：

可以看出，當(dāng)傳入的字符串是?null?時(shí)，會(huì)調(diào)用?appendNull?方法，而這個(gè)方法會(huì)返回?null。

檢測(cè)字符串是否相等

可以使用?equals方法檢測(cè)兩個(gè)字符串是否相等。比如：

String?str?=?"hello";
System.out.println("hello".equals(str));?//?true

equals?其實(shí)是?Object?類(lèi)中的一個(gè)方法，所有的類(lèi)都繼承于?Object?類(lèi)。講解?equals?方法之前，我們先來(lái)回顧一下運(yùn)算符?==?的用法，它存在兩種使用情況：

• 對(duì)于基本數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)說(shuō)，?==?比較的是值是否相同；
• 對(duì)于引用數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)說(shuō)，?==?比較的是內(nèi)存地址是否相同。

舉個(gè)例子：

String?str1?=?new?String("hello");?
String?str2?=?new?String("hello");
System.out.println(str1?==?str2);?//?false

對(duì) Java 中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域仍然不明白的可以先回去看看第一章《萬(wàn)物皆對(duì)象》。對(duì)于上述代碼，str1 和 str2 采用構(gòu)造函數(shù)?new String()?的方式新建了兩個(gè)不同字符串，以?String str1 = new String("hello");?為例，new 出來(lái)的對(duì)象存放在堆內(nèi)存中，用一個(gè)引用 str1 來(lái)指向這個(gè)對(duì)象的地址，而這個(gè)對(duì)象的引用 str1 存放在棧內(nèi)存中。str1 和 str2 是兩個(gè)不同的對(duì)象，地址不同，因此?==?比較的結(jié)果也就為?false。

而實(shí)際上，Object?類(lèi)中的原始?equals?方法內(nèi)部調(diào)用的還是運(yùn)算符?==，「判斷的是兩個(gè)對(duì)象是否具有相同的引用（地址），和?==?的效果是一樣的」：

也就是說(shuō)，如果你新建的類(lèi)沒(méi)有覆蓋?equals?方法，那么這個(gè)方法比較的就是對(duì)象的地址。而?String?方法覆蓋了?equals?方法，我們來(lái)看下源碼：

可以看出，String?重寫(xiě)的?equals?方法比較的是對(duì)象的內(nèi)容，而非地址。

總結(jié)下?equals()的兩種使用情況：

• 情況 1：類(lèi)沒(méi)有覆蓋?equals()?方法。則通過(guò)?equals()?比較該類(lèi)的兩個(gè)對(duì)象時(shí)，等價(jià)于通過(guò)?==?比較這兩個(gè)對(duì)象（比較的是地址）。
• 情況 2：類(lèi)覆蓋了?equals()?方法。一般來(lái)說(shuō)，我們都覆蓋?equals()?方法來(lái)判斷兩個(gè)對(duì)象的內(nèi)容是否相等，比如?String?類(lèi)就是這樣做的。當(dāng)然，你也可以不這樣做。

舉個(gè)例子：

String?a?=?new?String("ab");?//?a?為一個(gè)字符串引用
String?b?=?new?String("ab");?//?b?為另一個(gè)字符串引用,這倆對(duì)象的內(nèi)容一樣

if?(a.equals(b))?//?true
????System.out.println("aEQb");
if?(a?==?b)?//?false，不是同一個(gè)對(duì)象，地址不同
????System.out.println("a==b");

字符串常量池

字符串?String?既然作為?Java?中的一個(gè)類(lèi)，那么它和其他的對(duì)象分配一樣，需要耗費(fèi)高昂的時(shí)間與空間代價(jià)，作為最基礎(chǔ)最常用的數(shù)據(jù)類(lèi)型，大量頻繁的創(chuàng)建字符串，將會(huì)極大程度的影響程序的性能。為此，JVM 為了提高性能和減少內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)，在實(shí)例化字符串常量的時(shí)候進(jìn)行了一些優(yōu)化：

• 為字符串開(kāi)辟了一個(gè)「字符串常量池 String Pool」，可以理解為緩存區(qū)
• 創(chuàng)建字符串常量時(shí)，首先檢查字符串常量池中是否存在該字符串
• 「若字符串常量池中存在該字符串，則直接返回該引用實(shí)例，無(wú)需重新實(shí)例化」；若不存在，則實(shí)例化該字符串并放入池中。

舉個(gè)例子：

String?str1?=?"hello";
String?str2?=?"hello";

System.out.printl（"str1?==?str2"?:?str1?==?str2?)?//true?

對(duì)于上面這段代碼，String str1 = "hello";，?「編譯器首先會(huì)在棧中創(chuàng)建一個(gè)變量名為?str1?的引用，然后在字符串常量池中查找有沒(méi)有值為 "hello" 的引用，如果沒(méi)找到，就在字符串常量池中開(kāi)辟一個(gè)地址存放 "hello" 這個(gè)字符串，然后將引用?str1?指向 "hello"」。

需要注意的是，字符串常量池的位置在 JDK 1.7 有所變化：

• 「JDK 1.7 之前」，字符串常量池存在于「常量存儲(chǔ)」（Constant storage）中
• 「JDK 1.7 之后」，字符串常量池存在于「堆內(nèi)存」（Heap）中。

另外，我們還「可以使用?String的?intern()方法在運(yùn)行過(guò)程中手動(dòng)的將字符串添加到 String Pool 中」。具體過(guò)程是這樣的：

當(dāng)一個(gè)字符串調(diào)用?intern()?方法時(shí)，如果 String Pool 中已經(jīng)存在一個(gè)字符串和該字符串的值相等，那么就會(huì)返回 String Pool 中字符串的引用；否則，就會(huì)在 String Pool 中添加一個(gè)新的字符串，并返回這個(gè)新字符串的引用。

看下面這個(gè)例子：

String?str1?=?new?String("hello");?
String?str3?=?str1.intern();
String?str4?=?str1.intern();
System.out.println(str3?==?str4);?//?true

對(duì)于 str3 來(lái)說(shuō)，str1.intern()?會(huì)先在 String Pool 中查看是否已經(jīng)存在一個(gè)字符串和 str1 的值相等，沒(méi)有，于是，在 String Pool 中添加了一個(gè)新的值和 str1 相等的字符串，并返回這個(gè)新字符串的引用。

而對(duì)于 str4 來(lái)說(shuō)，str1.intern()在 String Pool 中找到了一個(gè)字符串和 str1 的值相等，于是直接返回這個(gè)字符串的引用。因此 s3 和 s4 引用的是同一個(gè)字符串，也就是說(shuō)它們的地址相同，所以?str3 == str4?的結(jié)果是?true。

???「總結(jié)：」

• String str = "i"?的方式，java 虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)將其分配到常量池中；

• String str = new String(“i”)?則會(huì)被分到堆內(nèi)存中。可通過(guò) intern 方法手動(dòng)加入常量池

new String("hello") 創(chuàng)建了幾個(gè)字符串對(duì)象

下面這行代碼到底創(chuàng)建了幾個(gè)字符串對(duì)象？?jī)H僅只在堆中創(chuàng)建了一個(gè)？

String?str1?=?new?String("hello");?

顯然不是。對(duì)于 str1 來(lái)說(shuō)，new String("hello")?分兩步走：

• 首先，"hello" 屬于字符串字面量，因此編譯時(shí)期會(huì)在 String Pool 中查找有沒(méi)有值為 "hello" 的引用，如果沒(méi)找到，就在字符串常量池中開(kāi)辟地址空間創(chuàng)建一個(gè)字符串對(duì)象，指向這個(gè) "hello" 字符串字面量；
• 然后，使用?new的方式又會(huì)在堆中創(chuàng)建一個(gè)字符串對(duì)象。

因此，使用這種方式一共會(huì)創(chuàng)建兩個(gè)字符串對(duì)象（前提是 String Pool 中還沒(méi)有 "hello" 字符串對(duì)象）。

2. 雙生子：可變的 StringBuffer 和 StringBuilder

String 字符串拼接問(wèn)題

有些時(shí)候， 需要由較短的字符串構(gòu)建字符串， 例如， 按鍵或來(lái)自文件中的單詞。采用字符串拼接的方式達(dá)到此目的效率比較低。由于 String 類(lèi)的對(duì)象內(nèi)容不可改變，所以每當(dāng)進(jìn)行字符串拼接時(shí)，總是會(huì)在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象。既耗時(shí)， 又浪費(fèi)空間。例如：

String?s?=?"Hello";
s?+=?"World";

這段簡(jiǎn)單的代碼其實(shí)總共產(chǎn)生了三個(gè)字符串，即?"Hello"、"World"?和?"HelloWorld"。"Hello" 和 "World" 作為字符串常量會(huì)在 String Pool 中被創(chuàng)建，而拼接操作?+?會(huì) new 一個(gè)對(duì)象用來(lái)存放 "HelloWorld"。

使用?StringBuilder/ StringBuffer?類(lèi)就可以避免這個(gè)問(wèn)題的發(fā)生，畢竟 String 的?+?操作底層都是由?StringBuilder?實(shí)現(xiàn)的。StringBuilder?和?StringBuffer?擁有相同的父類(lèi)：

但是，StringBuilder?不是線程安全的，在多線程環(huán)境下使用會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題，而?StringBuffer?是線程安全的。這是因?yàn)樵?StringBuffer?類(lèi)內(nèi)，常用的方法都使用了synchronized?關(guān)鍵字進(jìn)行同步，所以是線程安全的。而?StringBuilder?并沒(méi)有。這也是運(yùn)行速度?StringBuilder?大于?StringBuffer?的原因了。因此，如果在單線程下，優(yōu)先考慮使用?StringBuilder。

初始化操作

StringBuilder?和?StringBuffer?這兩個(gè)類(lèi)的 API 是相同的，這里就以?StringBuilder??為例演示其初始化操作。

StringBuiler/StringBuffer不能像?String?那樣直接用字符串賦值，所以也不能那樣初始化。它「需要通過(guò)構(gòu)造方法來(lái)初始化」。首先， 構(gòu)建一個(gè)空的字符串構(gòu)建器：

StringBuilder?builder?=?new?StringBuilder();

當(dāng)每次需要添加一部分內(nèi)容時(shí)， 就調(diào)用?append?方法：

char?ch?=?'a';
builder.append(ch);

String?str?=?"ert"
builder.append(str);

在需要構(gòu)建字符串?String?時(shí)調(diào)用 ?toString?方法， 就能得到一個(gè)?String對(duì)象：

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

3. String、StringBuffer、StringBuilder 比較

關(guān)于?synchronized?保證線程安全的問(wèn)題，我們后續(xù)文章再說(shuō)。

?? References

• 《Java 核心技術(shù) - 卷 1 基礎(chǔ)知識(shí) - 第 10 版》
• 《Thinking In Java（Java 編程思想）- 第 4 版》

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