Java中String和StringBuilder

做了好几天的面试题，发现 String 类的题目一直是个大头，看似简单，实则不然，牵扯到很多底层的东西。接下来我就跟着源码和题目来分析一下把

一、String的对象不可变

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 类是被 final 修饰的，即 String 类不能被继承。其中有一个很重要的数组，char 数组，用来保存字符串的，既然是用 final 关键字来修饰的，那就代表 String 是不可变的

举以下两个方法为例，通过源代码可以看到，substring，replace 最后都是通过 new String(xxx) 来产生了一个新的 String 对象，最原始的字符串并没有改变

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
            : new String(value, beginIndex, subLen);
}

public String replace(char oldChar, char newChar) {
    if (oldChar != newChar) {
        int len = value.length;
        int i = -1;
        char[] val = value; /* avoid getfield opcode */

        while (++i < len) {
            if (val[i] == oldChar) {
                break;
            }
        }
        if (i < len) {
            char buf[] = new char[len];
            for (int j = 0; j < i; j++) {
                buf[j] = val[j];
            }
            while (i < len) {
                char c = val[i];
                buf[i] = (c == oldChar) ? newChar : c;
                i++;
            }
            return new String(buf, true);
        }
    }
    return this;
}

我们可以用例子验证一下：

public void stringTest3(){
    String a = "nihaoshije";
    String b = a.substring(0, 4);
    System.out.println(b);
    System.out.println(a);
}

最终的输出为:niha nihaoshije。可见如我们所预料的，原来的 String 的值并没有改变

二、StringBuilder 中的字符可变

我们可以通过 StringBuilder 的源码分析下

我们假设使用 append 方法，该方法返回的依然是 StringBuffer 对象本身，说明他确实是值改变了

public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

该方法实际调用的是 StringBuilder 的父方法。该父方法，会先检测容量够不够，不够的话会进行扩容，然后调用 String 的 getChars 方法。注意，最后返回的依旧是 StringBuffer 对象

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;
}

getChars 方法具有 4 个参数

• srcBegin – 字符串中要复制的第一个字符的索引。
• srcEnd – 字符串中要复制的最后一个字符之后的索引。
• dst – 目标数组。
• dstBegin – 目标数组中的起始偏移量。

其中的 dst 对应 StringBuilder 的父类里的数组 char[] value，该数组是专门用来存放字符的。append(String str) 里的字符串就是以字符格式一个个加到 char 数组里的

public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
    if (srcBegin < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcBegin);
    }
    if (srcEnd > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd);
    }
    if (srcBegin > srcEnd) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd - srcBegin);
    }
    System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
}

我们可以举一个例子来看一下 StringBuffer 的对象是否真正改变了

public void stringBuilderTest() {
    StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder("hello");
    System.out.println(stringBuilder);

    stringBuilder.append("world");
    System.out.println(stringBuilder);
}

第一输出为 hello，第二次再次输出同一个对象，变为 helloworld，结果一目了然

三、关于字符串相加

这里我讨论的是使用“+”对两个字符串相加的过程，看似很简单的相加，其实蕴藏着很多的密码

《Java编程思想》提到，String 对象的操作符“+”其实被赋予了特殊的含义，该操作符是 Java 中仅有的两个重载过的操作符。而通过反编译可以看到，String 对象在进行“+”操作的时候，其实是调用了 StringBuilder 对象的 append() 方法来加以构造

按照惯例，我们先来看两个字符串相加的例子

public void stringTest4(){
    String a1 = "helloworld";
    String a = "hello" + "world";

    String b = "hello";
    String c = "world";
    String d = b + c;

    System.out.println(a);
    System.out.println(d);
    System.out.println(a == d);
    System.out.println(a1 == a);
    System.out.println(a1 == d);
}

输出结果如下

helloworld
helloworld
false
true
false

先来看 String a，“hello” + “world” 在 String 编译期间进行优化，优化结果为 “helloworld”，而该值在常量池中已经存有一份，因此 a 也指向了该常量池中的字符串，因此 a1 和 a 相等，输出 true

在对 b 和 c 进行相加的过程中，其实是分两个步骤来进行。先是调用 StringBuilder 对象的 append() 方法，加上 “hello” 字符；然后在调用一次 append() 方法，加上 “world”，最后默认调用 StringBuilder 的 toString() 方法输出“helloworld”。

很明显 d 对象指向的是堆中的 String 对象，而 a1 则指向的是常量池中的字符串，两者引用明显不同，因此输出 false。a 和 d 的比较与之类似，这里不加以赘述

我用反编译来看一下直接字符串相加和使用引用相加的区别

这里我就抽取了一部分反编译的结果。

1).可以看到，在第0行的时候，字符串就已经变成 helloworld 了，说明 “hello” + “world” 在编译的期间就已经进行了优化

2). 第13行开始，也就是在执行 b+c 这个语句的时候，就开始调用 append() 的方法了。当执行到 b 的时候，创建一个 StringBuilder 对象，调用 append() 方法加入，当执行到 c 的时候，再次调用 append() 加入。此时完成相加，以 String 类型返回。b + c 返回的结果相当于存入了一个新的 String 对象，最后在用变量 d 指向这个新的对象

3). 关于相加的效率，那么字符串引用相加(a + b)的效率，会比直接相加低，因为编译器不会对引用变量加以优化

四、String、StringBuffer、StringBuilder 对比

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，如果是字符串相加操作或者改动较少的情况下，使用 String str = "hello" + "world" + ... 这种形式；土改时字符串相加比较多的话，建议使用 StringBuilder

线程安全

StringBuffer 线程安全的，StringBuilder 不是线程安全的

 @Override
public synchronized StringBuffer append(Object obj) {
    toStringCache = null;
    super.append(String.valueOf(obj));
    return this;
}

public StringBuilder append(StringBuffer sb) {
    super.append(sb);
    return this;
}

五、常见的面试题目

1.输出以下结果

String a = "hello";
String b = "hello";

String a1 = new String("hello");
String a2 = new String("hello");

StringBuilder c = new StringBuilder("hello");
StringBuilder d = new StringBuilder("hello");

a == b
a1 == a2
c == d
a1.equals(a2)
a1.equals(c)
a.equals(c)
c.equals(d)

答案为 true、false、false、true、false、false。
a 和 b 指向同一个常量池，由此相等；a1 和 a2，c 和 d 都是因为对象不同所以不等；a1 和 a2 同属于 String 类型且字符相等；a1 和 c ，a 和 c 因为类型不同所以直接返回 false；
c 和 d 因为对象不同返回 false。

2.输出以下结果

String a = "hellonihao";
String b = "hello" + "nihao";

a == b

输出结果为 true。原因上面也提到了，“hello” + “nihao” 在编译的过程中就已经优化成了 “hellonihao”，此时常量池中已经有一个 “hellonihao”，这个时候不要再去新建一个对象，因此 a 和 b 指向的是同一个对象

3.输出以下结果

String a = "nihaoshijie";

String b = "nihao";
String c = "shijie";
String d = b + c;

a == d

输出结果为 false。因为"+"在Java中是重载运算符，String 对象直接相加的过程不会在编译期间优化，相加的结果会保存在一个新的对象中，因此 a 和 d 指向的根本不是一个对象

4.输出以下结果

String a = "helloworld";
final String b = "hello";
final String c = "world";
String d = b + c;

a == d;

输出结果居然是 true。对于被 final 修饰符修饰的变量，一经修饰便不能改变此时这两个 String 对象 b 和 c 在相加的过程中都能指向其他对象了。因此 String d = b + c 在编译期间就会被优化成：String d = "hello" + "world" = "helloworld"，而这个常量在常量池已经有了，因此返回 true。下面是反编译的验证

5.输出以下结果

String a = "hello";
String b = new String("hello");
String c = a.intern();

a == b;
a == c;

结果为false、true。第一个很好理解；第二个的话，由于常量池中已经存在了 “hello” 这个字符串，所以直接返回该字符串的引用

intern()：

当调用 intern 方法时，如果池已经包含一个等于此 String 对象的字符串（该对象由 equals(Object) 方法确定），则返回池中的字符串。否则，将此 String 对象添加到池中，并且返回此 String 对象的引用。它遵循对于任何两个字符串 s 和 t，当且仅当 s.equals(t) 为 true 时，s.intern() == t.intern() 才为 true。

对一个字符串调用intern()方法后，会先检查池内是否有该字符串，若有则返回；若没有没有则先创建再返回，确保返回的字符串已经以字面量的形式存在于池中。

参考资料

探秘Java中的String、StringBuilder以及StringBuffer
通过反编译深入理解Java String及intern