详解字符串操作类
明白了字符串常量池, 我相信关于字符串的创建你已经有十足的把握了. 但是这还不够, 作为一名合格的Java工程师, 我们还必须对字符串的操作做到了如指掌. 注意! 不是说你不用查api能熟练操作字符串就了如指掌了, 而是说对String, StringBuilder, StringBuffer三大字符串操作类背后的实现了然于胸, 这样才能在开发的过程中做出正确, 高效的选择。
String, StringBuilder, StringBuffer的底层实现
点进String的源码, 我们可以看见String类是通过char类型数组实现的。
public final class String implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence { /** The value is used for character storage. */ private final char value[]; ... }
接着查看StringBuilder和StringBuffer的源码, 我们发现这两者都继承自AbstractStringBuilder类, 通过查看该类的源码, 得知StringBuilder和StringBuffer两个类也是通过char类型数组实现的。
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence { /** * The value is used for character storage. */ char[] value; ... }
而且通过StringBuilder和StringBuffer继承自同一个父类这点, 我们可以推断出它俩的方法都是差不多的. 通过查看源码也发现确实如此, 只不过StringBuffer在方法上添加了 synchronized关键字, 证明它的方法绝大多数方法都是线程同步方法. 也就是说在多线程的环境下我们应该使用StringBuffer以保证线程安全, 在单线程环境下我们应使用StringBuilder以获得更高的效率。
既然如此, 我们的比较也就落到了StringBuilder和String身上了。
关于StringBuilder和String之间的讨论
通过查看StringBuilder和String的源码我们会发现两者之间一个关键的区别: 对于String, 凡是涉及到返回参数类型为String类型的方法, 在返回的时候都会通过new关键字创建一个新的字符串对象; 而对于StringBuilder, 大多数方法都会返回StringBuilder对象自身。
/** * 下面截取几个String类的方法 */ public String substring(int beginIndex) { if (beginIndex < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex); } int subLen = value.length - beginIndex; if (subLen < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen); } return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen); } public String concat(String str) { int otherLen = str.length(); if (otherLen == 0) { return this; } int len = value.length; char buf[] = Arrays.copyOf(value, len + otherLen); str.getChars(buf, len); return new String(buf, true); } /** * 下面截取几个StringBuilder类的方法 */ @Override public StringBuilder append(String str) { super.append(str); return this; } @Override public StringBuilder replace(int start, int end, String str) { super.replace(start, end, str); return this; }
就因为这点区别, 使得两者在操作字符串时在不同的场景下会体现出不同的效率。
下面还是以拼接字符串为例比较一下两者的性能：
public class Main { public static int time = 50000; public static void main(String[] args) { long start = System.currentTimeMillis(); String s = ""; for(int i = 0; i < time; i++){ s += "test"; } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("String类使用时间: " + (end - start) + "毫秒"); } } //String类使用时间: 4781毫秒 public class Main { public static int time = 50000; public static void main(String[] args) { long start = System.currentTimeMillis(); StringBuilder sb = new StringBuilder(); for(int i = 0; i < time; i++){ sb.append("test"); } long end = System.currentTimeMillis(); System.out.println("StringBuilder类使用时间: " + (end - start) + "毫秒"); } } //StringBuilder类使用时间: 5毫秒
就拼接5万次字符串而言, StringBuilder的效率是String类的956倍。
我们再次通过反编译代码看看造成两者性能差距的原因, 先看String类. (为了方便阅读代码, 我删除了计时部分的代码, 并重新编译, 得到的main方法反编译代码如下)
public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: ldc #2 // String, 将""空字符串加载到栈顶 2: astore_1 //存放到s变量中 3: iconst_0 //把int型数0压栈 4: istore_2 //存到变量i中 5: iload_2 //把i的值压到栈顶(0) 6: getstatic #3 // Field time:I 拿到静态变量time的值, 压到栈顶 9: if_icmpge 38 // 比较栈顶两个int值, for循环中的判定, 如果i比time小就继续执行, 否则跳转 //从这里开始, 就是for循环部分 12: new #4 // class java/lang/StringBuilder 15: dup 16: invokespecial #5 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 19: aload_1 20: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 23: ldc #7 // String test 25: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 28: invokevirtual #8 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; 31: astore_1 //每拼接完一次, 就把新的字符串对象引用保存在第二个本地变量中 //到这里一次for循环结束 32: iinc 2, 1 //变量i加1 35: goto 5 //继续循环 38: return
从反汇编代码中可以看到, 当用String类拼接字符串时, 每次都会生成一个StringBuilder对象, 然后调用两次append()方法把字符串拼接好, 最后通过StringBuilder的toString()方法new出一个新的字符串对象。
也就是说每次拼接都会new出两个对象, 并进行两次方法调用, 如果拼接的次数过多, 创建对象所带来的时延会降低系统效率, 同时会造成巨大的内存浪费. 而且当内存不够用时, 虚拟机会进行垃圾回收, 这也是一项相当耗时的操作, 会大大降低系统性能。
下面是使用StringBuilder拼接字符串得到的反编译代码：
public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: new #2 // class java/lang/StringBuilder 3: dup 4: invokespecial #3 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V 7: astore_1 8: iconst_0 9: istore_2 10: iload_2 11: getstatic #4 // Field time:I 14: if_icmpge 30 //从这里开始执行for循环内的代码 17: aload_1 18: ldc #5 // String test 20: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; 23: pop //到这里一次for循环结束 24: iinc 2, 1 27: goto 10 30: return
可以看到StringBuilder拼接字符串就简单多了, 直接把要拼接的字符串放到栈顶进行append就完事了, 除了开始时创建了StringBuilder对象, 运行时期没有创建过其他任何对象, 每次循环只调用一次append方法. 所以从效率上看, 拼接大量字符串时, StringBuilder要比String类给力得多。
当然String类也不是没有优势的, 从操作字符串api的丰富度上来讲, String是要多于StringBuilder的, 在日常操作中很多业务都需要用到String类的api。
在拼接字符串时, 如果是简单的拼接, 比如说 Strings="hello "+"world";, String类的效率会更高一点。
但如果需要拼接大量字符串, StringBuilder无疑是更合适的选择。
讲到这里, Java中的字符串背后的原理就讲得差不多, 相信在了解虚拟机操作字符串的细节后, 你在使用字符串时会更加得心应手. 字符串是编程中一个重要的话题, 本文围绕Java体系讲解的字符串知识只是字符串知识的冰山一角. 字符串操作的背后是数据结构和算法的应用, 如何能够以尽可能低的时间复杂度去操作字符串, 又是一门大学问。
