面试常备，字符串三剑客 String、StringBuffer、StringBuilder

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字符串操作毫无疑问是计算机程序设计中最常见的行为之一，在 Java 大展拳脚的 Web 系统中更是如此。

全文脉络思维导图如下：

1. 三剑客之首：不可变的 String

概述

Java 没有内置的字符串类型， 而是在标准 Java 类库中提供了一个预定义类 String。每个用双引号括起来的字符串都是 String 类的一个实例：

String e = ""; // 空串
String str = "hello";

看一下 String 的源码，在 Java 8 中，String 内部是使用 char 数组来存储数据的。

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，因此 String 类不允许被继承。

而在 Java 9 之后，String 类的实现改用 byte 数组存储字符串，同时使用 coder 来标识使用了哪种编码。

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final byte[] value;

    /** The identifier of the encoding used to encode the bytes in {@code value}. */
    private final byte coder;
}

不过，无论是 Java 8 还是 Java 9，用来存储数据的 char 或者 byte 数组 value 都一直是被声明为 final 的，这意味着 value 数组初始化之后就不能再引用其它数组了。并且 String 内部没有改变 value 数组的方法，因此我们就说 String 是不可变的。

所谓不可变，就如同数字 3 永远是数字 3 —样，字符串 “hello” 永远包含字符 h、e、1、1 和 o 的代码单元序列， 不能修改其中的任何一个字符。当然， 可以修改字符串变量 str， 让它引用另外一个字符串， 这就如同可以将存放 3 的数值变量改成存放 4 一样。

我们看个例子：

String str = "asdf";
String x = str.toUpperCase();

toUpperCase 用来将字符串全部转为大写字符，进入 toUpperCase 的源码我们发现，这个看起来会修改 String 值的方法，实际上最后是创建了一个全新的 String 对象，而最初的 String 对象则丝毫未动。

空串与 Null

空串 "" 很好理解，就是长度为 0 的字符串。可以调用以下代码检查一个字符串是否为空：

if(str.length() == 0){
    // todo
}

或者

if(str.equals("")){
	// todo
}

空串是一个 Java 对象， 有自己的串长度（ 0 ) 和内容（空），也就是 value 数组为空。

String 变量还可以存放一个特殊的值， 名为 null，这表示目前没有任何对象与该变量关联。要检查一个字符串是否为 null，可如下判断：

if(str == null){
    // todo
}

有时要检查一个字符串既不是 null 也不为空串，这种情况下就需要使用以下条件：

if(str != null && str.length() != 0){
    // todo
}

有同学就会觉得，这么简单的条件判断还用你说？没错，这虽然简单，但仍然有个小坑，就是我们必须首先检查 str 是否为 null，因为如果在一个 null 值上调用方法，编译器会报错。

字符串拼接

上面既然说到 String 是不可变的，我们来看段代码，为什么这里的字符串 a 却发生了改变？

String a = "hello";
String b = "world";
a = a + b; // a = "helloworld"

实际上，在使用 + 进行字符串拼接的时候，JVM 是初始化了一个 StringBuilder 来进行拼接的。相当于编译后的代码如下：

String a = "hello";
String b = "world";
StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(a);
builder.append(b);
a = builder.toString();

关于 StringBuilder 下文会详细讲解，大家现在只需要知道 StringBuilder 是可变的字符串类型就 OK 了。我们看下 builder.toString() 的源码：

显然，toString方法同样是生成了一个新的 String 对象，而不是在旧字符串的内容上做更改，相当于把旧字符串的引用指向的新的String对象。这也就是字符串 a 发生变化的原因。

另外，我们还需要了解一个特性，当将一个字符串与一个非字符串的值进行拼接时，后者被自动转换成字符串（任何一个 Java 对象都可以转换成字符串）。例如：

int age = 13;
String rating = "PG" + age; // rating = "PG13"

这种特性通常用在输出语句中。例如：

int a = 12;
System.out.println("a = " + a);

结合上面这两特性，我们来看个小问题，空串和 null 拼接的结果是啥？

String str = null;
str = str + "";
System.out.println(str);

答案是 null 大家应该都能猜出来，但为什么是 null 呢？上文说过，使用 + 进行拼接实际上是会转换为 StringBuilder 使用 append 方法进行拼接，编译后的代码如下：

String str = null;
str = str + "";
StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(str);
builder.append("");
str = builder.toString();

看下 append 的源码：

可以看出，当传入的字符串是 null 时，会调用 appendNull 方法，而这个方法会返回 null。

检测字符串是否相等

可以使用 equals 方法检测两个字符串是否相等。比如：

String str = "hello";
System.out.println("hello".equals(str)); // true

equals 其实是 Object 类中的一个方法，所有的类都继承于 Object 类。讲解 equals 方法之前，我们先来回顾一下运算符 == 的用法，它存在两种使用情况：

• 对于基本数据类型来说， == 比较的是值是否相同；
• 对于引用数据类型来说， == 比较的是内存地址是否相同。

举个例子：

String str1 = new String("hello");
String str2 = new String("hello");
System.out.println(str1 == str2); // false

对 Java 中数据存储区域仍然不明白的可以先回去看看第一章《万物皆对象》。对于上述代码，str1 和 str2 采用构造函数 new String() 的方式新建了两个不同字符串，以 String str1 = new String("hello"); 为例，new 出来的对象存放在堆内存中，用一个引用 str1 来指向这个对象的地址，而这个对象的引用 str1 存放在栈内存中。str1 和 str2 是两个不同的对象，地址不同，因此 == 比较的结果也就为 false。

而实际上，Object 类中的原始 equals 方法内部调用的还是运算符 ==，判断的是两个对象是否具有相同的引用（地址），和 == 的效果是一样的：

也就是说，如果你新建的类没有覆盖 equals 方法，那么这个方法比较的就是对象的地址。而 String 方法覆盖了 equals 方法，我们来看下源码：

可以看出，String 重写的 equals 方法比较的是对象的内容，而非地址。

总结下 equals()的两种使用情况：

• 情况 1：类没有覆盖 equals() 方法。则通过 equals() 比较该类的两个对象时，等价于通过 == 比较这两个对象（比较的是地址）。
• 情况 2：类覆盖了 equals() 方法。一般来说，我们都覆盖 equals() 方法来判断两个对象的内容是否相等，比如 String 类就是这样做的。当然，你也可以不这样做。

举个例子：

String a = new String("ab"); // a 为一个字符串引用
String b = new String("ab"); // b 为另一个字符串引用,这俩对象的内容一样

if (a.equals(b)) // true
    System.out.println("aEQb");
if (a == b) // false，不是同一个对象，地址不同
    System.out.println("a==b");

字符串常量池

字符串 String 既然作为 Java 中的一个类，那么它和其他的对象分配一样，需要耗费高昂的时间与空间代价，作为最基础最常用的数据类型，大量频繁的创建字符串，将会极大程度的影响程序的性能。为此，JVM 为了提高性能和减少内存开销，在实例化字符串常量的时候进行了一些优化：

• 为字符串开辟了一个字符串常量池 String Pool，可以理解为缓存区
• 创建字符串常量时，首先检查字符串常量池中是否存在该字符串
• 若字符串常量池中存在该字符串，则直接返回该引用实例，无需重新实例化；若不存在，则实例化该字符串并放入池中。

举个例子：

String str1 = "hello";
String str2 = "hello";

System.out.printl（"str1 == str2" : str1 == str2 ) //true

对于上面这段代码，String str1 = "hello";， 编译器首先会在栈中创建一个变量名为 str1 的引用，然后在字符串常量池中查找有没有值为 "hello" 的引用，如果没找到，就在字符串常量池中开辟一个地址存放 "hello" 这个字符串，然后将引用 str1 指向 "hello"。

需要注意的是，字符串常量池的位置在 JDK 1.7 有所变化：

• JDK 1.7 之前，字符串常量池存在于常量存储（Constant storage）中
• JDK 1.7 之后，字符串常量池存在于堆内存（Heap）中。

另外，我们还可以使用 String 的 intern() 方法在运行过程中手动的将字符串添加到 String Pool 中。具体过程是这样的：

当一个字符串调用 intern() 方法时，如果 String Pool 中已经存在一个字符串和该字符串的值相等，那么就会返回 String Pool 中字符串的引用；否则，就会在 String Pool 中添加一个新的字符串，并返回这个新字符串的引用。

看下面这个例子：

String str1 = new String("hello");
String str3 = str1.intern();
String str4 = str1.intern();
System.out.println(str3 == str4); // true

对于 str3 来说，str1.intern() 会先在 String Pool 中查看是否已经存在一个字符串和 str1 的值相等，没有，于是，在 String Pool 中添加了一个新的值和 str1 相等的字符串，并返回这个新字符串的引用。

而对于 str4 来说，str1.intern() 在 String Pool 中找到了一个字符串和 str1 的值相等，于是直接返回这个字符串的引用。因此 s3 和 s4 引用的是同一个字符串，也就是说它们的地址相同，所以 str3 == str4 的结果是 true。

总结：

• String str = "i" 的方式，java 虚拟机会自动将其分配到常量池中；

• String str = new String(“i”) 则会被分到堆内存中。可通过 intern 方法手动加入常量池

new String("hello") 创建了几个字符串对象

下面这行代码到底创建了几个字符串对象？仅仅只在堆中创建了一个？

String str1 = new String("hello");

显然不是。对于 str1 来说，new String("hello") 分两步走：

• 首先，"hello" 属于字符串字面量，因此编译时期会在 String Pool 中查找有没有值为 "hello" 的引用，如果没找到，就在字符串常量池中开辟地址空间创建一个字符串对象，指向这个 "hello" 字符串字面量；
• 然后，使用 new 的方式又会在堆中创建一个字符串对象。

因此，使用这种方式一共会创建两个字符串对象（前提是 String Pool 中还没有 "hello" 字符串对象）。

2. 双生子：可变的 StringBuffer 和 StringBuilder

String 字符串拼接问题

有些时候， 需要由较短的字符串构建字符串， 例如， 按键或来自文件中的单词。采用字符串拼接的方式达到此目的效率比较低。由于 String 类的对象内容不可改变，所以每当进行字符串拼接时，总是会在内存中创建一个新的对象。既耗时， 又浪费空间。例如：

String s = "Hello";
s += "World";

这段简单的代码其实总共产生了三个字符串，即 "Hello"、"World" 和 "HelloWorld"。"Hello" 和 "World" 作为字符串常量会在 String Pool 中被创建，而拼接操作 + 会 new 一个对象用来存放 "HelloWorld"。

使用 StringBuilder/ StringBuffer 类就可以避免这个问题的发生，毕竟 String 的 + 操作底层都是由 StringBuilder 实现的。StringBuilder 和 StringBuffer 拥有相同的父类：

但是，StringBuilder 不是线程安全的，在多线程环境下使用会出现数据不一致的问题，而 StringBuffer 是线程安全的。这是因为在 StringBuffer 类内，常用的方法都使用了synchronized 关键字进行同步，所以是线程安全的。而 StringBuilder 并没有。这也是运行速度 StringBuilder 大于 StringBuffer 的原因了。因此，如果在单线程下，优先考虑使用 StringBuilder。

初始化操作

StringBuilder 和 StringBuffer 这两个类的 API 是相同的，这里就以 StringBuilder 为例演示其初始化操作。

StringBuiler/StringBuffer 不能像 String 那样直接用字符串赋值，所以也不能那样初始化。它需要通过构造方法来初始化。首先， 构建一个空的字符串构建器：

StringBuilder builder = new StringBuilder();

当每次需要添加一部分内容时， 就调用 append 方法：

char ch = 'a';
builder.append(ch);

String str = "ert"
builder.append(str);

在需要构建字符串 String 时调用 toString 方法， 就能得到一个 String 对象：

String mystr = builder.toString(); // aert

3. String、StringBuffer、StringBuilder 比较

	可变性	线程安全
String	不可变	因为不可变，所以是线程安全的
StringBuffer	可变	线程安全的，因为其内部大多数方法都使用 synchronized 进行同步。其效率较低
StringBuilder	可变	不是线程安全的，因为没有使用 synchronized 进行同步，这也是其效率高于 StringBuffer 的原因。单线程下，优先考虑使用 StringBuilder。

关于 synchronized 保证线程安全的问题，我们后续文章再说。

References

• 《Java 核心技术 - 卷 1 基础知识 - 第 10 版》
• 《Thinking In Java（Java 编程思想）- 第 4 版》

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