Java StringBuilder源码剖析+面试题整理

在String中提到，如果字符串修改操作比较频繁，应该采用StringBuilder和StringBuffer类，这两个类的方法基本是完全一样的，它们的实现代码也几乎一样，唯一的不同就在于StringBuffer类是线程安全的，而StringBuilder类不是。

基本用法

创建StringBuilder对象：

StringBuilder sb = new StringBuilder();

通过append方法添加字符串：

sb.append("Hello")；
sb.append(" World") ；

通过toString方法获取构建后的字符串：

System.out.println(sb.toString());

实现原理

创建

与String类似，StringBuilder类也封装了一个字符数组，定义如下：

char[] value;
int count;

与String不同，它不是final的，可以修改。另外，与String不同，字符数组中不一定所有位置都已经被使用，它有一个实例变量count，表示数组中已经使用的字符个数。

StringBuilder继承自AbstractStringBuilder，它的默认构造方法是：

public StringBuilder() {
       super(16);
}

其中调用父类的构造方法，父类对应的构造方法是：

AbstractStringBuilder(int capacity) {
       value = new char[capacity];
}

也就是说，new StringBuilder()代码内部会创建一个长度为16的字符数组，count的默认值为0。

append

append方法的代码：

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;
   }

append会直接复制字符到内部的字符数组中，如果字符数组长度不够，会进行扩展，实际使用的长度用count体现。具体来说，ensureCapacityInternal(count+len)会确保数组的长度足以容纳新添加的字符，str.getChars会复制新添加的字符到字符数组中，count+=len会增加实际使用的长度。

ensureCapacityInternal的代码如下：

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

如果字符数组的长度小于需要的长度，则调用expandCapacity进行扩展，其代码为：

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);
   }

扩展的逻辑是：分配一个足够长度的新数组，然后将原内容复制到这个新数组中，最后让内部的字符数组指向这个新数组，这个逻辑主要靠上面的最后一行代码实现。我们可以看出，StringBuilder的扩容是靠Arrays实现的，所以原理也一样。

这里的扩展策略是跟当前长度相关的，当前长度乘以2，再加上2，如果这个长度不够最小需要的长度，才用minimumCapacity。比如，默认长度为16，长度不够时，会先扩展到16*2+2即34，然后扩展到34*2+2即70，然后是70*2+2即142，这是一种指数扩展策略。为什么要加2？这样，在原长度为0时也可以一样工作。为什么要这么扩展呢？这是一种折中策略，一方面要减少内存分配的次数，另一方面要避免空间浪费。在不知道最终需要多长的情况下，指数扩展是一种常见的策略，广泛应用于各种内存分配相关的计算机程序中。不过，如果预先就知道需要多长，那么可以调用StringBuilder的另外一个构造方法：public StringBuilder(int capacity)

toString

toString方法的代码：

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

基于内部数组新建了一个String。注意，这个String构造方法不会直接用value数组，而会新建一个，以保证String的不可变性。

insert

insert是在指定索引offset处插入字符串str

public AbstractStringBuilder insert(int offset, String str) {
       if((offset < 0) || (offset > length()))
           throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
       if(str == null)
           str = "null";
       int len = str.length();
       ensureCapacityInternal(count + len);
       System.arraycopy(value, offset, value, offset + len, count - offset);
       str.getChars(value, offset);
       count += len;
       return this;
}

实现思路是：在确保有足够长度后，首先将原数组中offset开始的内容向后挪动n个位置，n为待
插入字符串的长度，然后将待插入字符串复制进offset位置。

挪动位置调用了System.arraycopy()方法，将数组src中srcPos开始的length个元素复制到数组dest中destPos处。这个方法有个优点：即使src和ldest是同一个数组，它也可以正确处理。

public static native void arraycopy(Object src, int srcPos,Object dest, int destPos, int length);

+运算

Java中，String可以直接使用+和+=运算符，这是Java编译器提供的支持，背后，Java编译器一般会生成StringBuilder，+和+=操作会转换为append。比如，如下代码：

String hello = "hello";
hello+=",world";
System.out.println(hello);

背后，Java编译器一般会转换为：

StringBuilder hello = new StringBuilder("hello");
hello.append(", world");
System.out.println(hello.toString());

不过，在稍微复杂的情况下，Java编译器可能没有那么智能，它可能会生成过多的StringBuilder,尤其是在有循环的情况下，在循环内部，每一次+=操作，都会生成一个StringBuilder。所以，对于简单的情况，可以直接使用String的+和+=，对于复杂的情况，尤其是有循环的时候，应该直接使用StringBuilder。

八股考点

String、StringBuffer、StringBuilder 的区别？

String:用于字符串操作，属于不可变类；【补充：String不是基本数据类型，是引用类型，底层用char数组实现的】
StringBuilder：与StringBuffer类似，都是字符串缓冲区，但线程不安全；
StringBuffer：也用于字符串操作，不同之处是StringBuffer 属于可变类，对方法加了同步锁，线程安全（补充说明：StringBuffer中并不是所有方法都使用了Synchronized修饰来实现）

执行效率：StringBuilder>StringBuffer>String

String中“+”和StringBuffer中的 append会有性能上的差别吗？

会有性能上的差别。
在Java中，String对象是不可变的，也就是说每次使用"+“运算符连接字符串时，都会创建一个新的String对象，这就涉及到内存分配和垃圾回收，如果在循环或频繁操作中使用”+"进行字符串拼接，会大大降低性能。
而StringBuffer和StringBuilder的对象是可变的，append方法实际上是在原有的字符序列后面添加字符，不会创建新的对象，所以在进行大量或复杂的字符串操作时，使用StringBuffer或StringBuilder的性能要高于使用String的"+"。
另外，StringBuffer是线程安全的，而StringBuilder是非线程安全的，所以在单线程环境下，StringBuilder的性能会更高一些。

final修饰 StringBuffer后还可以 append 吗？

可以。final修饰的是一个引用变量，那么这个引用始终只能指向这个对象，但是这个对象内部的属性是可以变化的。