第2章 Java编程基础——FAQ2.20 “+”操作符在Java内部是如何实现字符串连接的？

FAQ2.20 “+”操作符在Java内部是如何实现字符串连接的？

答：

字符串是Java程序中最常用的一种数据结构之一。在Java中的String类已经重载的"+"。也就是说，字符串可以直接使用"+"进行连接，如下面代码所示：

String s = "abc" + "ddd";

但这样做真的好吗？当然，这个问题不能简单地回答yes or no。要根据具体情况来定。在Java中提供了一个StringBuilder类（这个类只在J2SE5及以上版本提供，以前的版本使用StringBuffer类），这个类也可以起到"+"的作用。那么我们应该用哪个呢？

下面让我们先看看如下的代码：

package string;
public class TestSimplePlus
  {
public static void main(String[] args)
      {
          String s = "abc";
          String ss = "ok" + s + "xyz" + 5;
          System.out.println(ss);
      }
  }

上面的代码将会输出正确的结果。从表面上看，对字符串和整型使用"+"号并没有什么区别，但事实真的如此吗？下面让我们来看看这段代码的本质。

我们首先使用反编译工具（如jdk带的javap、或jad）将TestSimplePlus反编译成Java Byte Code，其中的奥秘就一目了然了。在本文将使用jad来反编译，命令如下：
jad -o -a -s d.java TestSimplePlus.class

反编译后的代码如下：

package string;
import java.io.PrintStream;
public class TestSimplePlus
{
public TestSimplePlus()
    {
//    0    0:aload_0         
//    1    1:invokespecial   #8   <Method void Object()>
//    2    4:return          
    }
public static void main(String args[])
    {
      String s = "abc";
//    0    0:ldc1            #16  <String "abc">
//    1    2:astore_1        
      String ss = (new StringBuilder("ok")).append(s).append("xyz").append(5).toString();
//    2    3:new             #18  <Class StringBuilder>
//    3    6:dup             
//    4    7:ldc1            #20  <String "ok">
//    5    9:invokespecial   #22  <Method void StringBuilder(String)>
//    6   12:aload_1         
//    7   13:invokevirtual   #25  <Method StringBuilder StringBuilder.append(String)>
//    8   16:ldc1            #29  <String "xyz">
//    9   18:invokevirtual   #25  <Method StringBuilder StringBuilder.append(String)>
//   10   21:iconst_5        
//   11   22:invokevirtual   #31  <Method StringBuilder StringBuilder.append(int)>
//   12   25:invokevirtual   #34  <Method String StringBuilder.toString()>
//   13   28:astore_2        
      System.out.println(ss);
//   14   29:getstatic       #38  <Field PrintStream System.out>
//   15   32:aload_2         
//   16   33:invokevirtual   #44  <Method void PrintStream.println(String)>
//   17   36:return          
    }
}

读者可能看到上面的Java字节码感到迷糊，不过大家不必担心。本文的目的并不是讲解Java Byte Code，因此，并不用了解具体的字节码的含义。

使用jad反编译的好处之一就是可以同时生成字节码和源代码。这样可以进行对照研究。从上面的代码很容易看出，虽然在源程序中使用了"+"，但在编译时仍然将"+"转换成StringBuilder。因此，我们可以得出结论，在Java中无论使用何种方式进行字符串连接，实际上都使用的是StringBuilder。

那么是不是可以根据这个结论推出使用"+"和StringBuilder的效果是一样的呢？这个要从两个方面的解释。如果从运行结果来解释，那么"+"和StringBuilder是完全等效的。但如果从运行效率和资源消耗方面看，那它们将存在很大的区别。

当然，如果连接字符串行表达式很简单（如上面的顺序结构），那么"+"和StringBuilder基本是一样的，但如果结构比较复杂，如使用循环来连接字符串，那么产生的Java Byte Code就会有很大的区别。先让我们看看如下的代码：

package string;
import java.util.*;
public class TestComplexPlus
  {
public static void main(String[] args)
      {
          String s = "";
          Random rand = new Random();
for (int i = 0; i < 10; i++)
          {
              s = s + rand.nextInt(1000) + " ";
          }
          System.out.println(s);
      }
  }

    上面的代码返编译后的Java Byte Code如下：

package string;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Random;
public class TestComplexPlus
{
public TestComplexPlus()
    {
//    0    0:aload_0         
//    1    1:invokespecial   #8   <Method void Object()>
//    2    4:return          
    }
public static void main(String args[])
    {
        String s = "";
//    0    0:ldc1            #16  <String "">
//    1    2:astore_1        
        Random rand = new Random();
//    2    3:new             #18  <Class Random>
//    3    6:dup             
//    4    7:invokespecial   #20  <Method void Random()>
//    5   10:astore_2        
for(int i = 0; i < 10; i++)
//*   6   11:iconst_0        
//*   7   12:istore_3        
//*   8   13:goto            49
         s = (new StringBuilder(String.valueOf(s))).append(rand.nextInt(1000)).append(" ").toString();
//    9   16:new             #21  <Class StringBuilder>
//   10   19:dup             
//   11   20:aload_1         
//   12   21:invokestatic    #23  <Method String String.valueOf(Object)>
//   13   24:invokespecial   #29  <Method void StringBuilder(String)>
//   14   27:aload_2         
//   15   28:sipush          1000
//   16   31:invokevirtual   #32  <Method int Random.nextInt(int)>
//   17   34:invokevirtual   #36  <Method StringBuilder StringBuilder.append(int)>
//   18   37:ldc1            #40  <String " ">
//   19   39:invokevirtual   #42  <Method StringBuilder StringBuilder.append(String)>
//   20   42:invokevirtual   #45  <Method String StringBuilder.toString()>
//   21   45:astore_1        
//   22   46:iinc            3  1
//   23   49:iload_3         
//   24   50:bipush          10
//   25   52:icmplt          16
        System.out.println(s);
//   26   55:getstatic       #49  <Field PrintStream System.out>
//   27   58:aload_1         
//   28   59:invokevirtual   #55  <Method void PrintStream.println(String)>
//   29   62:return          
    }
}

    大家可以看到，虽然编译器将"+"转换成了StringBuilder，但创建StringBuilder对象的位置却在for语句内部。这就意味着每执行一次循环，就会创建一个StringBuilder对象（对于本例来说，是创建了10个StringBuilder对象），虽然Java有垃圾回收器，但这个回收器的工作时间是不定的。如果不断产生这样的垃圾，那么仍然会占用大量的资源。解决这个问题的方法就是在程序中直接使用StringBuilder来连接字符串，代码如下：

package string;
import java.util.*;
public class TestStringBuilder
{
public static void main(String[] args)
    {
        String s = "";
        Random rand = new Random();
        StringBuilder result = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            result.append(rand.nextInt(1000));
            result.append(" ");
        }
        System.out.println(result.toString());
    }
}

上面代码反编译后的结果如下：

package string;
import java.io.PrintStream;
import java.util.Random;
public class TestStringBuilder
{
public TestStringBuilder()
    {
//    0    0:aload_0         
//    1    1:invokespecial   #8   <Method void Object()>
//    2    4:return          
    }
public static void main(String args[])
    {
        String s = "";
//    0    0:ldc1            #16  <String "">
//    1    2:astore_1        
        Random rand = new Random();
//    2    3:new             #18  <Class Random>
//    3    6:dup             
//    4    7:invokespecial   #20  <Method void Random()>
//    5   10:astore_2        
        StringBuilder result = new StringBuilder();
//    6   11:new             #21  <Class StringBuilder>
//    7   14:dup             
//    8   15:invokespecial   #23  <Method void StringBuilder()>
//    9   18:astore_3        
for(int i = 0; i < 10; i++)
//*  10   19:iconst_0        
//*  11   20:istore          4
//*  12   22:goto            47
        {
            result.append(rand.nextInt(1000));
//   13   25:aload_3         
//   14   26:aload_2         
//   15   27:sipush          1000
//   16   30:invokevirtual   #24  <Method int Random.nextInt(int)>
//   17   33:invokevirtual   #28  <Method StringBuilder StringBuilder.append(int)>
//   18   36:pop             
            result.append(" ");
//   19   37:aload_3         
//   20   38:ldc1            #32  <String " ">
//   21   40:invokevirtual   #34  <Method StringBuilder StringBuilder.append(String)>
//   22   43:pop             
        }
//   23   44:iinc            4  1
//   24   47:iload           4
//   25   49:bipush          10
//   26   51:icmplt          25
        System.out.println(result.toString());
//   27   54:getstatic       #37  <Field PrintStream System.out>
//   28   57:aload_3         
//   29   58:invokevirtual   #43  <Method String StringBuilder.toString()>
//   30   61:invokevirtual   #47  <Method void PrintStream.println(String)>
//   31   64:return          
    }
}

从上面的反编译结果可以看出，创建StringBuilder的代码被放在了for语句外。虽然这样处理在源程序中看起来复杂，但却换来了更高的效率，同时消耗的资源也更少了。

在使用StringBuilder时要注意，尽量不要"+"和StringBuilder混着用，否则会创建更多的StringBuilder对象，如下面代码所：

for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        result.append(rand.nextInt(1000));
        result.append(" ");
    }

改成如下形式：

for (int i = 0; i < 10; i++)
{
     result.append(rand.nextInt(1000) + " ");
}

则反编译后的结果如下：

for(int i = 0; i < 10; i++)
//*  10   19:iconst_0        
//*  11   20:istore          4
//*  12   22:goto            65
   {
    result.append((new StringBuilder(String.valueOf(rand.nextInt(1000)))).append(" ").toString());
//   13   25:aload_3         
//   14   26:new             #21  <Class StringBuilder>
//   15   29:dup             

从上面的代码可以看出，Java编译器将"+"编译成了StringBuilder，这样for语句每循环一次，又创建了一个StringBuilder对象。
如果将上面的代码在JDK1.4下编译，必须将StringBuilder改为StringBuffer，而JDK1.4将"+"转换为StringBuffer（因为JDK1.4并没有提供StringBuilder类）。StringBuffer和StringBuilder的功能基本一样，只是StringBuffer是线程安全的，而StringBuilder不是线程安全的。因此，StringBuilder的效率会更高。

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String中的+号，会被转换为StringBuffer的append()方法来操作的

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+，Java会自动根据它的参数判断应该使用那个含义两个对象+，会首先调用对象的toString()，然后使用字符串的+含义