59从零开始学Java之StringBuilder与StringBuffer
作者：孙玉昌，昵称【一一哥】，另外【壹壹哥】也是我哦
千锋教育高级教研员、CSDN博客专家、万粉博主、阿里云专家博主、掘金优质作者
前言
最近的这几篇文章，壹哥一直在给大家讲解字符串相关的内容。其实字符串按照可变性，可以分为不可变字符串与可变字符串。我们前面学习的String就属于不可变字符串，因为理论上一个String字符串一旦定义好，其内容就不可再被改变，这些内容我们已经在前面都学习过了。但实际上，还有另一种可变字符串，包括StringBuilder和StringBuffer两个类。那可变字符串有什么特点？又怎么使用呢？接下来就请大家跟我一起来学习吧。
-----------------------------------------------前戏已做完，精彩即开始---------------------------------------------
全文大约【6000】字，不说废话，只讲可以让你学到技术、明白原理的纯干货！本文带有丰富的案例及配图视频，让你更好地理解和运用文中的技术概念，并可以给你带来具有足够启迪的思考......
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一. 可变字符串
1. 简介
在Java中，我们除了可以通过String类创建和处理字符串之外，还可以使用StringBuffer和StringBuilder类来处理字符串。其中，String类定义的字符串内容不可变，所以String属于不可变字符串。而StringBuffer和StringBuilder定义的字符串内容可变，这两者属于可变字符串，并且StringBuffer和StringBuilder，对字符串的处理效率比String类更高。
2. 使用场景
有的小伙伴可能还是不太理解，字符串的使用并不是很难，咱们直接使用String来操作就可以了，为什么还要搞出来StringBuffer和StringBuilder这两个类？这不是找麻烦吗？其实这都是有原因的！
从底层原理来分析，String构建的字符串对象，其内容理论上是不能被改变的。一旦定义了String对象就无法再改变其内容，但很多时候我们还是需要改变字符串的内容的，所以String类就存在一定的短板。
另外从应用层面来分析，String字符串的执行效率其实是比较低的。举个例子，就比如常见的字符串拼接，很多人喜欢使用“+号”来拼接String字符串。其实如果是操作少量的字符串，使用String还凑活，一旦同时操作的字符串过多，String的效率就极低了。壹哥之前曾做过一个关于10万个字符串拼接的实验。同等条件下，利用“+”号进行拼接所需要的时间是29382毫秒，利用StringBuffer所需要的时间只有4毫秒，而StringBuilder所用的时间更是只需2毫秒，这效率真是天差地别！关于本实验，请大家参考如下链接：
高薪程序员&面试题精讲系列16之Java中如何拼接多个字符串？StringBuffer和StringBuilder的区别？
另外我们还可以通过下面这个稍微简单点的案例，来看看Java底层是如何处理字符串拼接的。
String str = "Hello" + "World";
System.out.println("str=" + str);相信很多朋友都会用 “+”号 来进行字符串拼接，因为觉得该方式简单方便，毕竟 一 “+” 了事。那么利用 “+”号来拼接字符串是最好的方案吗？肯定不是的！如果我们使用JAD反编译工具对上述Java字节码进行反编译，你会发现不一样的结果，上述案例反编译后得到的JAD文件内容如下所示：
import java.io.PrintStream;
public class StringTest13
{
public StringTest13()
{
}
public static void main(String args[])
{
String s = "HelloWorld";
System.out.println((new StringBuilder()).append("str=").append(s).toString());
}
}从反编译出来的JAD文件中我们可以看出，Java在编译的时候会把 “+”号操作符替换成StringBuilder的append()方法。也就是说，“+”号操作符在拼接字符串的时候只是一种形式，让开发者使用起来比较简便，代码看起来比较简洁，但底层使用的还是StringBuilder操作。
既然 “+”号 的底层还是利用StringBuilder的append()方法操作，那么我们为什么不直接使用StringBuilder呢？你说对吧？而且当我们需要操作大量的字符串时，更不推荐使用String，比如：
String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
str = str + "," + i;
}上面这段代码，虽然可以实现字符串的拼接，但是在该循环中，每次循环都会创建一个新的字符串对象，然后扔掉旧的字符串。如果是10000次循环，就会执行10000次这样的操作。而这些操作中的绝大部分字符串对象都是临时对象，最终都会被扔掉不用，这就会严重地浪费内存，并会严重影响GC垃圾回收的效率。
为了能提高拼接字符串的效率，Java给我们提供了StringBuffer和StringBuilder，它们都是可变对象，可以预分配缓冲区。当我们往StringBuffer或StringBuilder中新增字符时，不会创建新的临时对象，可以极大地节省了内存。可以说，好处多多。
那么接下来壹哥就带领各位来学习StringBuffer、StringBuilder的用法吧。
二. StringBuffer
1. 简介
StringBuffer是一种可变的字符串类，即在创建StringBuffer对象后，我们还可以随意修改字符串的内容。每个StringBuffer的类对象都能够存储指定容量的字符串，如果字符串的长度超过了StringBuffer对象的容量空间，则该对象的容量会自动扩大。
另外我们在使用StringBuffer类时，比如每次调用toString()方法，都会直接使用缓存区的toStringCache 值来构造一个字符串，这每次都是对StringBuffer对象本身进行操作，而不会重新生成一个新对象。所以如果我们需要对大量字符串的内容进行修改，壹哥推荐大家使用StringBuffer。
2. 基本特性
StringBuffer作为一个可变字符串类，具有如下特性：
- 具有线程安全性：StringBuffer中的公开方法都由synchronized关键字修饰，保证了线程同步；
- 带有缓冲区：StringBuffer每次调用toString()方法时，都会直接使用缓存区的toStringCache值来构造一个字符串；
- 内容可变性：StringBuffer中带有字符串缓冲区，我们可以通过数组的复制来实现内容的修改；
- 自带扩容机制：StringBuffer可以初始化容量，也可以指定容量，当字符串长度超过了指定的容量后，可以通过扩容机制实现长度的变更；
- 内容类型多样性：StringBuffer中可以存储多种不同类型的数据。
了解了StringBuffer的基本特性之后，请大家跟着壹哥来学习一下StringBuffer的基本用法吧。
3. 基本用法
3.1 常用API方法
StringBuffer作为一个字符串操作类，它有以下几个需要我们掌握的常用API方法，如下所示：
| 方法名称 |
方法作用 |
| StringBuffer() |
构造一个空的字符串缓冲区，并且初始化为 16个字符的容量 |
| StringBuffer(int length) |
创建一个空的字符串缓冲区，并且初始化为指定长度 length 的容量 |
| StringBuffer(String str) |
创建一个字符串缓冲区，并将其内容初始化为指定的字符串 内容 str，字符串缓冲区的初始容量为 16 加上字符串 str 的 长度 |
| StringBuffer append(String s) |
将指定的字符串追加到此字符序列后面 |
| StringBuffer reverse() |
将该字符序进行反转 |
| StringBuffer delete(int start, int end) |
移除该字符串中指定起始位置的子字符串 |
| StringBuffer insert(int offset, int i) |
将int类型的内容插入到该字符串的指定位置上 |
| StringBuffer insert(int offset, String str) |
将String类型的内容插入到字符串的指定位置上 |
| StringBuffer replace(int start, int end, String str) |
使用给定的新子串，替换字符串中指定起始位置上旧的子串 |
| int capacity() |
返回当前字符串的容量 |
| char charAt(int index) |
返回字符串中指定索引处的char值。 |
| int indexOf(String str) |
返回在该字符串中第一次出现指定子串的索引值 |
| int indexOf(String str, int fromIndex) |
从指定索引处开始，返回在该字符串中第一次出现指定子串 的索引值 |
| int lastIndexOf(String str) |
返回指定子串在此字符串中最后的索引值 |
| int length() |
返回字符串的长度，即字符个数 |
| CharSequence subSequence(int start, int end) |
根据指定的起、止值，返回一个新的子串 |
| String substring(int start) |
根据指定的起始值，返回一个新的子串 |
3.2 基本案例
知道了这些常用的API方法后，我们再通过一个案例来看看这些方法到底是怎么用的。
/**
* @author 一一哥Sun
*/
public class Demo01 {
public static void main(String[] args) {
//创建StringBuffer对象
StringBuffer sb = new StringBuffer("跟一一哥，");
//在字符串后面追加新的字符串
sb.append("学Java！");
System.out.println(sb);
//删除指定位置上的字符串，从指定的下标开始和结束，下标从0开始
sb.delete(2, 4);
System.out.println(sb);//"一哥"
//在指定下标位置上添加指定的字符串
sb.insert(2, "123");
System.out.println(sb);//跟一123，学Java！
//将字符串翻转
sb.reverse();
System.out.println(sb);//！avaJ学，321一跟
//将StringBuffer转换成String类型
String s = sb.toString();
System.out.println(s);
}
}3.3 append()用法
在以上几个方法中，壹哥再重点给大家说一下append()追加方法。该方法的作用是追加内容到当前StringBuffer对象的末尾，类似于字符串的连接。调用该方法以后，StringBuffer对象的内容也会发生改变。使用该方法进行字符串的连接，会比String更加节约内存。我们可以利用append()方法进行动态内容的追加，比如进行数据库SQL语句的拼接：
/**
* @author 一一哥Sun
*/
public class Demo02 {
public static void main(String[] args) {
StringBuffer sb = new StringBuffer();
String user = "yyg";
String pwd = "123";
//实现SQL语句的拼接
sb.append("select * from userInfo where username=")
.append(user)
.append(" and pwd=")
.append(pwd);
System.out.println("sql="+sb.toString());
}
}StringBuffer的用法其实很简单，和String差不多，大家简单掌握即可。
4. 配套视频
与本节内容配套的视频链接如下：
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三. StringBuilder
1. 简介
要想实现可变字符串的操作，其实还有另一个StringBuilder类，该类是在Java 5中被提出的。它和 StringBuffer的基本用法几乎是完全一样的，关于StringBuilder的用法，壹哥不会讲解太多。
但StringBuilder和StringBuffer最大的不同在于，StringBuilder的各个方法都不是线程安全的(不能同步访问)，在多线程时可能存在线程安全问题，但StringBuilder的执行效率却比StringBuffer快的多。
实际上大多数情况下，我们都是在单线程下进行字符串的操作，所以使用StringBuilder并不会产生线程安全问题。所以针对大多数的单线程情况，壹哥还是建议大家使用StringBuilder，而不是StringBuffer，除非你们的项目对线程安全有着明确的高要求。
2. 特性
StringBuilder作为可变字符串操作类，具有如下特性：
- StringBuilder是线程不安全的，但执行效率更快；
- 适用于单线程环境下，在字符缓冲区进行大量操作的情况。
3. 基本用法
StringBuilder的API方法和基本用法与StringBuffer一样，此处略过。
4. 配套视频
与本节内容配套的视频链接如下：
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四. 扩容机制(重点)
扩容机制应该是本篇文章中的一个重难点，所以壹哥要结合源码，单独列出一节给大家仔细分析一下。
在常规的用法上面，StringBuffer和StringBuilder基本没有什么差别。两者的主要区别在于StringBuffer是线程安全的，但效率低，StringBuilder是线程不安全的，但效率高。不过在扩容机制上，StringBuffer和StringBuilder是一样的。所以在这里，壹哥就以StringBuffer为例，只给大家分析一个类即可。
1. 继承关系
首先我们可以追踪一下StringBuffer的源码，看看它继承自哪个父类。
从上图可以看出，StringBuffer和StringBuilder其实都是继承自AbstractStringBuilder，所以StringBuffer与StringBuilder这两者可以说是“亲兄弟”的关系，它们俩有一个共同的抽象父类AbstractStringBuilder，如下所示：
2. AbstractStringBuilder抽象父类
壹哥在之前给大家讲解抽象类时就跟大家说过，抽象类可以将多个子类个性化的实现，通过抽象方法交由子类来实现；而多个子类共性的方法，可以放在父类中实现。StringBuffer和StringBuilder的共同父类AbstractStringBuilder就是一个抽象类，在这个父类中把StringBuffer和StringBuilder的一些共同内容进行了定义。比如在该类中，就定义了一个定长的字节数组来保存字符串，后面当我们利用append()方法不断地追加字符串时，如果该字符串的长度超过了这个数组的长度，就会利用数组复制的方式给该数组进行扩容。
3. 容量设置
另外壹哥在前面给大家讲解StringBuffer的API方法时，也给大家说过StringBuffer有3个构造方法。而无论是哪个构造方法都可以设置存储容量，即使是默认的构造方法也会有值为16的存储容量，如下图所示：
4. 扩容过程(核心)
4.1 StringBuffer#append()方法
虽然StringBuffer有默认的容量设置，也有自定义的容量设置，但在实际开发过程中，容量还是有可能不够用。这时就会根据追加的字符串长度进行动态扩容，那么这个扩容过程到底是怎么样的呢？其实StringBuffer的扩容需要利用append()方法作为入口，我们先来看看append()方法的源码，如下所示：
4.2 AbstractStringBuilder#append()方法
在StringBuffer的append()方法中，你会发现实际上真正的实现是通过super关键字，在调用父类的append()方法，所以我们继续往下追踪，此时进入到AbstractStringBuilder类中的append()方法中，如下图所示：
此时我们看到了一个ensureCapacityInternal()方法，从字面意思来理解，该方法是用于确保内部容量。传递给该方法的个参数是count+len，也就是 原有字符串的长度+新追加的字符串长度，即append后字符串的总长度。
4.3 ensureCapacityInternal()方法
那么ensureCapacityInternal()接受了新字符串的总长度之后会发生什么变化呢？我们必须进入到ensureCapacityInternal()方法的内部来探究一番，源码如下：
在该方法中，我们首先看到了一个二进制位的右移运算。value.length是字符数组的长度，结合coder参数进行右移运算，得到字符串的原有容量。这里的coder参数是一种编码方式，如果字符串中没有中文，默认是采用Latin1编码，如果有中文则会采用UTF-16编码。因为UTF-16编码中文时需要两个字节，也就是说，只要字符串中含有中文，value字节数组中是每两位对应一个字符。
然后会判断新追加的字符串长度是否超过了value字节数组的长度，如果新字符串的长度大于value字节数组的长度，则说明需要给该字节数组进行扩容。接着就会利用用Arrays.copyOf()方法，将当前数组的值拷贝给newCapacity()个长度的新数组，最后再重新赋值给value字节数组。在扩容的过程中，主要是利用数组复制的方法来实现！
4.4 newCapacity()方法
其实讲到现在，关于StringBuffer的扩容，基本原理壹哥已经给大家讲清楚了，但我们还可以继续深入看看newCapacity()这个方法的实现过程与返回值，它与数组扩容密切相关。
该方法的大致作用就是，获取value数组的原有长度和待追加的新字符串长度，利用ArraysSupport.newLength()方法计算出扩容后新数组的长度length，并最终返回该length。如果length的值等于Integer的最大值，说明我们传递过来的字符串太长了，就会直接触发一个内存溢出的异常。
4.5 newLength()方法
而ArraysSupport.newLength()方法的内部实现，主要是利用Math.max()方法实现的，如下所示：
4.6 小结(重点)
至此，壹哥就把StringBuffer的扩容过程给大家分析完毕了，最后，壹哥再给大家把这个扩容的核心思路总结一下，StringBuffer扩容机制的基本规则如下：
- 如果一次追加的字符长度超过了当前设置的容量，则会按照 当前容量*2+2 进行扩容；
- 如果一次追加的长度不仅超过了初始容量，而且按照 当前容量*2+2 扩容一次还不够，其容量会直接扩容到与所添加字符串长度相等的长度；
- 之后如果还要再追加新的字符内容，依然会按照 当前容量*2+2 进行扩容。
5. 验证案例
最后为了验证上述结论是否正确，壹哥再给大家设计如下案例，供大家思考验证。
/**
* @author 一一哥Sun
* V我领资料：syc_2312119590
* 各平台都有壹哥的同名博客哦
*/
public class Demo03 {
// 扩容机制
public static void main(String[] args) {
//无参构造方法，初始容量默认为16
StringBuffer sb = new StringBuffer();
//使用StringBuffer的capacity()方法查看其当前容量
System.out.println("默认初始化容量capacity=" + sb.capacity() + ",默认长度length=" + sb.length());
//一次追加20个字符，因为超过了初始容量，因此会扩容16*2+2=34
sb.append("11111111112222222222");
System.out.println("扩容一次的capacity()=" + sb.capacity() + ",扩容一次后的length=" + sb.length());
StringBuffer sb02 = new StringBuffer();
//再次添加50个字符，不仅超过了初始容量16，而且按照 当前容量*2+2 进行扩容(34)后，依然存储不下，
//则直接将容量扩容到新追加的字符串长度50
sb02.append("11111111112222222222333333333344444444445555555555");
System.out.println("再次扩容后的capacity="+sb02.capacity()+",再次扩容后的长度length():"+sb02.length());
}
}从上述实验的执行结果中，你会发现StringBuffer与StringBuilder就是按照上述规则进行扩容的。
6. 配套视频
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五. 结语
至此，我们就把字符串相关的内容都学习完了，接下来壹哥就把今天的重点内容给大家总结一下，尤其是String、StringBuffer与StringBuilder的区别有哪些。
1. 相同点
String、StringBuffer、StringBuilder三者共同之处，它们都是final类，不允许被继承，这样设计主要是从性能和安全性上考虑的。
2. 不同点
String、StringBuffer、StringBuilder这三个类之间的区别主要体现在3个方面，即 运行速度、线程安全、功能、可变性 这4个方面。
在运行速度方面：三者之间的执行速度由快到慢为：StringBuilder > StringBuffer > String
在线程安全方面：StringBuilder是线程不安全的，而StringBuffer是线程安全的。
如果一个StringBuffer对象在字符串缓冲区被多个线程使用，StringBuffer中很多方法都带有synchronized关键字，可以保证线程是安全的。但StringBuilder的方法中则没有该关键字，所以不能保证线程安全，有可能在进行线程并发操作时产生一些异常。所以如果要进行多线程环境下的操作，考虑使用StringBuffer；在单线程环境下，建议使用速度StringBuilder。
在功能方面：String实现了三个接口，即Serializable、Comparable
、CarSequence； StringBuilder和StringBuffer实现了两个接口，Serializable、CharSequence，相比之下String的实例可以通过compareTo方法进行比较，其他两个不可以。
在可变性方面：String字符串是不可变的，StringBuilder与StringBuffer是可变的。
3. 最后总结一下
String：适用于少量字符串操作的情况；
StringBuilder：适用于单线程环境下，在字符缓冲区进行大量操作的情况；
StringBuffer：适用多线程环境下，在字符缓冲区进行大量操作的情况；
使用场景：当修改字符串的操作比较多时，可以使用StringBuilder或StringBuffer；在要求线程安全的情况下用StringBuffer，在不要求线程安全的情况下用StringBuilder。
另外如果你独自学习觉得有很多困难，可以加入壹哥的学习互助群，大家一起交流学习。
六. 今日作业
在给定的字符串“ABCDEFGhijklmn1234567”中，随机获取4个字符，并使用 StringBuilder拼接成字符串。随机获取到的4个字符中可以出现重复字符。
提示：大家可以通过创建随机数对象来实现
java.util.Random。
java.util.Random random = new java.util.Random();
random.nextInt(100); //可以获取到 0~99 中任意一个随机数