Java中字符串的詳細分析

小編給大家分享一下Java中字符串的詳細分析，希望大家閱讀完這篇文章后大所收獲，下面讓我們一起去探討吧！

本篇文章我們深入的來分析一下與String相關的另外兩個類，它們分別是StringBuilder和StringBuffer。這兩個類與String有什么關系呢？首先我們看下下邊這張類圖：

StringBuilder和StringBuffer都繼承了AbstractStringBuilder，而AbstractStringBuilder與String實現了共同的接口CharSequence。

我們知道，字符串是由一系列字符組成的，String的內部就是基于char數組（jdk9之后基于byte數組）實現的，而數組通常是一塊連續的內存區域，在數組初始化的時候就需要指定數組的大小。上一篇文章中我們已經知道String是不可變的，因為它內部的數組被聲明為了final，同時，String的字符拼接、插入、刪除等操作均是通過實例化新的對象實現的。而今天要認識的StringBuilder和StringBuffer與String相比就具有了動態性。接下來就讓我們一起來認識下這兩個類。

一、StringBuilder

在StringBuilder的父類AbstractStringBuilder 中可以看到如下代碼：

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {    /**
     * The value is used for character storage.
     */
    char[] value;    /**
     * The count is the number of characters used.
     */
    int count;
}復制代碼

StringBuilder與String一樣都是基于char數組實現的，不同的是StringBuilder沒有final修飾，這就意味著StringBuilder是可以被動態改變的。接下來看下StringBuilder無參構造方法，代碼如下：

 /**
     * Constructs a string builder with no characters in it and an
     * initial capacity of 16 characters.
     */
    public StringBuilder() {        super(16);
    }復制代碼

在這個方法中調用了父類的構造方法，到AbstractStringBuilder 中看到其構造方法如下：

    /**
     * Creates an AbstractStringBuilder of the specified capacity.
     */
    AbstractStringBuilder(int capacity) {
        value = new char[capacity];
    }復制代碼

AbstractStringBuilder的構造方法內部初始化了一個容量為capacity的數組。也就是說StringBuilder默認初始化了一個容量為16的char[]數組。StringBuilder中除了無參構造外還提供了多個構造方法，源碼如下：

 /**
     * Constructs a string builder with no characters in it and an
     * initial capacity specified by the {@code capacity} argument.
     *
     * @param      capacity  the initial capacity.
     * @throws     NegativeArraySizeException  if the {@code capacity}
     *               argument is less than {@code 0}.
     */
    public StringBuilder(int capacity) {        super(capacity);
    }    /**
     * Constructs a string builder initialized to the contents of the
     * specified string. The initial capacity of the string builder is
     * {@code 16} plus the length of the string argument.
     *
     * @param   str   the initial contents of the buffer.
     */
    public StringBuilder(String str) {        super(str.length() + 16);
        append(str);
    }    /**
     * Constructs a string builder that contains the same characters
     * as the specified {@code CharSequence}. The initial capacity of
     * the string builder is {@code 16} plus the length of the
     * {@code CharSequence} argument.
     *
     * @param      seq   the sequence to copy.
     */
    public StringBuilder(CharSequence seq) {        this(seq.length() + 16);
        append(seq);
    }復制代碼

這段代碼的第一個方法初始化一個指定容量大小的StringBuilder。另外兩個構造方法分別可以傳入String和CharSequence來初始化StringBuilder，這兩個構造方法的容量均會在傳入字符串長度的基礎上在加上16。

1.StringBuilder的append操作與擴容

上篇文章已經知道通過StringBuilder的append方法可以進行高效的字符串拼接，append方法是如何實現的呢？這里以append（String）為例，可以看到StringBuilder的append調用了父類的append方法，其實不止append，StringBuilder類中操作字符串的方法幾乎都是通過父類來實現的。append方法源碼如下：

    // StringBuilder
    @Override
    public StringBuilder append(String str) {        super.append(str);        return this;
    }    
  // AbstractStringBuilder
  public AbstractStringBuilder append(String str) {        if (str == null)            return appendNull();        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;        return this;
    }復制代碼

在append方法的第一行首先進行了null檢查，等于null的時候調用了appendNull方法。其源碼如下：

private AbstractStringBuilder appendNull() {        int c = count;
        ensureCapacityInternal(c + 4);        final char[] value = this.value;
        value[c++] = 'n';
        value[c++] = 'u';
        value[c++] = 'l';
        value[c++] = 'l';
        count = c;        return this;
    }復制代碼

appendNull方法中首先調用了ensureCapacityInternal來確保字符串數組容量充值，關于ensureCapacityInternal這個方法下邊再詳細分析。接下來可以看到把"null"的字符添加到了char[]數組value中。

上文我們提到，StringBuilder內部數組的默認容量是16，因此，在進行字符串拼接的時候需要先確保char[]數組有足夠的容量。因此，在appendNull方法以及append方法中都調用了ensureCapacityInternal方法來檢查char[]數組是否有足夠的容量，如果容量不足則會對數組進行擴容，ensureCapacityInternal源碼如下：

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {        // overflow-conscious code
        if (minimumCapacity - value.length > 0)
            expandCapacity(minimumCapacity);
    }復制代碼

這里判讀如果拼接后的字符串長度大于字符串數組的長度則會調用expandCapacity進行擴容。

void expandCapacity(int minimumCapacity) {        int newCapacity = value.length * 2 + 2;        if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
            newCapacity = minimumCapacity;        if (newCapacity < 0) {            if (minimumCapacity < 0) // overflow
                throw new OutOfMemoryError();
            newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
        }
        value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
    }復制代碼

expandCapacity的邏輯也很簡單，首先通過原數組的長度乘2并加2后計算得到擴容后的數組長度。接下來判斷了newCapacity如果小于minimumCapacity，則將minimumCapacity值賦值給了newCapacity。這里因為調用expandCapacity方法的不止一個地方，所以加這句代碼確保安全。

而接下來的一句代碼就很有趣了，newCapacity 和minimumCapacity 還有可能小于0嗎？當minimumCapacity小于0的時候竟然還拋出了一個OutOfMemoryError異常。其實，這里小于0是因為越界了。我們知道在計算機中存儲的都是二進制，乘2相當于向左移了一位。以byte為例，一個byte有8bit,在有符號數中最左邊的一個bit位是符號位，正數的符號位為0，負數為1。那么一個byte可以表示的大小范圍為[-128~127]，而如果一個數字大于127時則會出現越界，即最左邊的符號位會被左邊第二位的1頂替，就出現了負數的情況。當然，并不是byte而是int,但是原理是一樣的。

另外在這個方法的最后一句通過Arrays.copyOf進行了一個數組拷貝，其實Arrays.copyOf在上篇文章中就有見到過，在這里不妨來分析一下這個方法，看源碼：

 public static char[] copyOf(char[] original, int newLength) {        char[] copy = new char[newLength];
        System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));        return copy;
    }復制代碼

咦？copyOf方法中竟然也去實例化了一個對象！！那不會影響性能嗎？莫慌，看一下這里僅僅是實例化了一個newLength長度的空數組，對于數組的初始化其實僅僅是指針的移動而已，浪費的性能可謂微乎其微。接著這里通過System.arraycopy的native方法將原數組復制到了新的數組中。

2.StringBuilder的subString()方法toString()方法

StringBuilder中其實沒有subString方法，subString的實現是在StringBuilder的父類AbstractStringBuilder中的。它的代碼非常簡單，源碼如下：

public String substring(int start, int end) {        if (start < 0)            throw new StringIndexOutOfBoundsException(start);        if (end > count)            throw new StringIndexOutOfBoundsException(end);        if (start > end)            throw new StringIndexOutOfBoundsException(end - start);        return new String(value, start, end - start);
    }復制代碼

在進行了合法判斷之后，substring直接實例化了一個String對象并返回。這里和String的subString實現其實并沒有多大差別。 而StringBuilder的toString方法的實現其實更簡單，源碼如下：

 @Override
    public String toString() {        // Create a copy, don't share the array
        return new String(value, 0, count);
    }復制代碼

這里直接實例化了一個String對象并將StringBuilder中的value傳入，我們來看下String(value, 0, count)這個構造方法：

    public String(char value[], int offset, int count) {        if (offset < 0) {            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
        }        if (count < 0) {            throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
        }        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        if (offset > value.length - count) {            throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
        }        this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
    }復制代碼

可以看到，在String的這個構造方法中又通過Arrays.copyOfRange方法進行了數組拷貝，Arrays.copyOfRange的源碼如下：

   public static char[] copyOfRange(char[] original, int from, int to) {        int newLength = to - from;        if (newLength < 0)            throw new IllegalArgumentException(from + " > " + to);        char[] copy = new char[newLength];
        System.arraycopy(original, from, copy, 0,
                         Math.min(original.length - from, newLength));        return copy;
    }復制代碼

Arrays.copyOfRange與Arrays.copyOf類似，內部都是重新實例化了一個char[]數組，所以String構造方法中的this.value與傳入進來的value不是同一個對象。意味著StringBuilder在每次調用toString的時候生成的String對象內部的char[]數組并不是同一個！這里立一個Falg！

3.StringBuilder的其它方法

StringBuilder除了提供了append方法、subString方法以及toString方法外還提供了還提供了插入（insert）、刪除（delete、deleteCharAt）、替換（replace）、查找（indexOf）以及反轉（reverse）等一些列的字符串操作的方法。但由于實現都非常簡單，這里就不再贅述了。

二、StringBuffer

在第一節已經知道，StringBuilder的方法幾乎都是在它的父類AbstractStringBuilder中實現的。而StringBuffer同樣繼承了AbstractStringBuilder，這就意味著StringBuffer的功能其實跟StringBuilder并無太大差別。我們通過StringBuffer幾個方法來看

     /**
     * A cache of the last value returned by toString. Cleared
     * whenever the StringBuffer is modified.
     */
    private transient char[] toStringCache;    @Override
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        toStringCache = null;        super.append(str);        return this;
    }    /**
     * @throws StringIndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * @since      1.2
     */
    @Override
    public synchronized StringBuffer delete(int start, int end) {
        toStringCache = null;        super.delete(start, end);        return this;
    }  /**
     * @throws StringIndexOutOfBoundsException {@inheritDoc}
     * @since      1.2
     */
    @Override
    public synchronized StringBuffer insert(int index, char[] str, int offset,                                            int len)
    {
        toStringCache = null;        super.insert(index, str, offset, len);        return this;
    }@Override
    public synchronized String substring(int start) {        return substring(start, count);
    }    
// ...復制代碼

可以看到在StringBuffer的方法上都加上了synchronized關鍵字,也就是說StringBuffer的所有操作都是線程安全的。所以，在多線程操作字符串的情況下應該首選StringBuffer。 另外，我們注意到在StringBuffer的方法中比StringBuilder多了一個toStringCache的成員變量 ，從源碼中看到toStringCache是一個char[]數組。它的注釋是這樣描述的：

toString返回的最后一個值的緩存，當StringBuffer被修改的時候該值都會被清除。

我們再觀察一下StringBuffer中的方法，發現只要是操作過操作過StringBuffer中char[]數組的方法，toStringCache都被置空了！而沒有操作過字符數組的方法則沒有對其做置空操作。另外，注釋中還提到了 toString方法，那我們不妨來看一看StringBuffer中的 toString，源碼如下：

   @Override
    public synchronized String toString() {        if (toStringCache == null) {
            toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
        }        return new String(toStringCache, true);
    }復制代碼

這個方法中首先判斷當toStringCache 為null時會通過 Arrays.copyOfRange方法對其進行賦值，Arrays.copyOfRange方法上邊已經分析過了，他會重新實例化一個char[]數組，并將原數組賦值到新數組中。這樣做有什么影響呢？細細思考一下不難發現在不修改StringBuffer的前提下，多次調用StringBuffer的toString方法，生成的String對象都共用了同一個字符數組--toStringCache。這里是StringBuffer和StringBuilder的一點區別。至于StringBuffer中為什么這么做其實并沒有很明確的原因，可以參考StackOverRun 《Why StringBuffer has a toStringCache while StringBuilder not?》中的一個回答:

1.因為StringBuffer已經保證了線程安全，所以更容易實現緩存（StringBuilder線程不安全的情況下需要不斷同步toStringCache） 2.可能是歷史原因

看完了這篇文章，相信你對Java中字符串的詳細分析有了一定的了解，想了解更多相關知識，歡迎關注億速云行業資訊頻道，感謝各位的閱讀！