Java StringBuilder 和 StringBuffer 源码分析

简介

StringBuilder与StringBuffer是两个常用的操作字符串的类。大家都知道，StringBuilder是线程不安全的，而StringBuffer是线程安全的。前者是JDK1.5加入的，后者在JDK1.0就有了。下面分析一下它们的内部实现。

继承关系

public final class StringBuffer
extends AbstractStringBuilder
implements java.io.Serializable, CharSequence

public final class StringBuilder
extends AbstractStringBuilder
implements java.io.Serializable, CharSequence

可以看到，两个类的继承关系是一模一样的。Serializable是可以序列化的标志。CharSequence接口包含了charAt()、length() 、subSequence()、toString()这几个方法，String类也实现了这个接口。这里的重点是抽象类AbstractStringBuilder，这个类封装了StringBuilder和StringBuffer大部分操作的实现。

AbstractStringBuilder

变量及构造方法

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

AbstractStringBuilder内部用一个char[]数组保存字符串，可以在构造的时候指定初始容量方法。

扩容

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

扩容的方法最终是由expandCapacity()实现的，在这个方法中首先把容量扩大为原来的容量加2，如果此时仍小于指定的容量，那么就把新的容量设为minimumCapacity。然后判断是否溢出，如果溢出了，把容量设为Integer.MAX_VALUE。最后把value值进行拷贝，这显然是耗时操作。

append()方法

public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null)
            return appendNull();
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;
        return this;
    }

append()是最常用的方法，它有很多形式的重载。上面是其中一种，用于追加字符串。如果str是null,则会调用appendNull()方法。这个方法其实是追加了'n'、'u'、'l'、'l'这几个字符。如果不是null，则首先扩容，然后调用String的getChars()方法将str追加到value末尾。最后返回对象本身，所以append()可以连续调用。

StringBuilder

AbstractStringBuilder已经实现了大部分需要的方法，StringBuilder和StringBuffer只需要调用即可。下面来看看StringBuilder的实现。

构造器

public StringBuilder() {
    super(16);
}
public StringBuilder(int capacity) {
    super(capacity);
}
public StringBuilder(String str) {
    super(str.length() + 16);
    append(str);
}
public StringBuilder(CharSequence seq) {
    this(seq.length() + 16);
    append(seq);
}

可以看出，StringBuilder默认的容量大小为16。当然也可以指定初始容量，或者以一个已有的字符序列给StringBuilder对象赋初始值。

append()方法

public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}
public StringBuilder append(CharSequence s) {
    super.append(s);
    return this;
}

append()的重载方法很多，这里随便列举了两个。显然，这里是直接调用的父类AbstractStringBuilder中的方法。

toString()

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

toString()方法返回了一个新的String对象，与原来的对象不共享内存。其实AbstractStringBuilder中的subString()方法也是如此。

SringBuffer

StiringBuffer跟StringBuilder类似，只不过为了实现同步，很多方法使用lSynchronized修饰，如下面的方法：

public synchronized int length() {
        return count;
}
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}
public synchronized void setLength(int newLength) {
    toStringCache = null;
    super.setLength(newLength);
}

可以看到，方法前面确实加了Synchronized。

另外，在上面的append()以及setLength()方法里面还有个变量toStringCache。这个变量是用于最近一次toString()方法的缓存，任何时候只要StringBuffer被修改了这个变量会被赋值为null。StringBuffer的toString如下：

public synchronized String toString() {
    if (toStringCache == null) {
        toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
    }
    return new String(toStringCache, true);
}

在这个方法中，如果toStringCache为null则先缓存。最终返回的String对象有点不同，这个构造方法还有个参数true。找到String的源码看一下：

 String(char[] value, boolean share) {
    // assert share : "unshared not supported";
    this.value = value;
}

原来这个构造方法构造出来的String对象并没有实际复制字符串，只是把value指向了构造参数，这是为了节省复制元素的时间。不过这个构造器是具有包访问权限，一般情况下是不能调用的。

总结

StringBuilder和StringBuffer都是可变字符串，前者线程不安全，后者线程安全。
StringBuilder和StringBuffer的大部分方法均调用父类AbstractStringBuilder的实现。其扩容机制首先是把容量变为原来容量的2倍加2。最大容量是Integer.MAX_VALUE，也就是0x7fffffff。
StringBuilder和StringBuffer的默认容量都是16，最好预先估计好字符串的大小避免扩容带来的时间消耗。