详细分析Java中String、StringBuffer、StringBuilder类的性能

前端技术 2023/09/02 Java

我们先要记住三者的特征：

  • String 字符串常量
  • StringBuffer 字符串变量（线程安全）
  • StringBuilder 字符串变量（非线程安全）

一、定义
查看API会发现，String、StringBuffer、StringBuilder都实现了 CharSequence接口，虽然它们都与字符串相关，但是其处理机制不同。

  • String：是不可改变的量，也就是创建后就不能在修改了。
  • StringBuffer：是一个可变字符串序列，它与String一样，在内存中保存的都是一个有序的字符串序列（char类型的数组），不同点是StringBuffer对象的值都是可变的。
  • StringBuilder：与StringBuffer类基本相同，都是可变字符换字符串序列，不同点是StringBuffer是线程安全的，StringBuilder是线程不安全的。 在性能方面，由于String类的操作是产生新的String对象，而StringBuilder和StringBuffer只是一个字符数组的扩容而已，所以String类的操作要远慢于StringBuffer和StringBuilder。

二、使用场景
使用String类的场景：在字符串不经常变化的场景中可以使用String类，例如常量的声明、少量的变量运算。
使用StringBuffer类的场景：在频繁进行字符串运算（如拼接、替换、删除等），并且运行在多线程环境中，则可以考虑使用StringBuffer，例如XML解析、HTTP参数解析和封装。
使用StringBuilder类的场景：在频繁进行字符串运算（如拼接、替换、和删除等），并且运行在单线程的环境中，则可以考虑使用StringBuilder，如SQL语句的拼装、JSON封装等。

三、分析
简要的说， String 类型和 StringBuffer 类型的主要性能区别其实在于 String 是不可变的对象, 因此在每次对 String 类型进行改变的时候其实都等同于生成了一个新的 String 对象，然后将指针指向新的 String 对象。所以经常改变内容的字符串最好不要用 String ，因为每次生成对象都会对系统性能产生影响，特别当内存中无引用对象多了以后， JVM 的 GC 就会开始工作，那速度是一定会相当慢的。

而如果是使用 StringBuffer 类则结果就不一样了，每次结果都会对 StringBuffer 对象本身进行操作，而不是生成新的对象，再改变对象引用。所以在一般情况下我们推荐使用 StringBuffer ，特别是字符串对象经常改变的情况下。而在某些特别情况下， String 对象的字符串拼接其实是被 JVM 解释成了 StringBuffer 对象的拼接，所以这些时候 String 对象的速度并不会比 StringBuffer 对象慢，而特别是以下的字符串对象生成中， String 效率是远要比 StringBuffer 快的：

String S1 = “This is only a\" + “ simple\" + “ test\";
StringBuffer Sb = new StringBuilder(“This is only a\").append(“ simple\").append(“ test\");

你会很惊讶的发现，生成 String S1 对象的速度简直太快了，而这个时候 StringBuffer 居然速度上根本一点都不占优势。其实这是 JVM 的一个把戏，在 JVM 眼里，这个

String S1 = “This is only a\" + “ simple\" + “test\";

其实就是：

String S1 = “This is only a simple test\";

所以当然不需要太多的时间了。但大家这里要注意的是，如果你的字符串是来自另外的 String 对象的话，速度就没那么快了，譬如：

String S2 = \"This is only a\";
String S3 = \"simple\";
String S4 = \"test\";
String S1 = S2 +S3 + S4;

这时候 JVM 会规规矩矩的按照原来的方式去做。

四、深入JVM的优化处理
真的会有上面的性能代价么，字符串拼接这么常用，没有特殊的处理优化么，答案是有的，这个优化进行在JVM编译.java到bytecode时。

一个Java程序如果想运行起来，需要经过两个时期，编译时和运行时。在编译时，Java JVM(Compiler)将java文件转换成字节码。在运行时，Java虚拟机（JVM）运行编译时生成的字节码。通过这样两个时期，Java做到了所谓的一处编译，处处运行。

我们实验一下编译期都做了哪些优化，我们制造一段可能会出现性能代价的代码。

public class Concatenation {
 public static void main(String[] args) {
   String userName = \"Andy\";
   String age = \"24\";
   String job = \"Developer\";
   String info = userName + age + job;
   System.out.println(info);
 }
}

对Concatenation.java进行编译一下。得到Concatenation.class

javac Concatenation.java

然后我们使用javap反编译一下编译出来的Concatenation.class文件。javap -c Concatenation。如果没有找到javap命令，请考虑将javap所在目录加入环境变量或者使用javap的完整路径。

17:22:04-androidyue~/workspace_adt/strings/src$ javap -c Concatenation
Compiled from \"Concatenation.java\"
public class Concatenation {
 public Concatenation();
  Code:
    0: aload_0
    1: invokespecial #1         // Method java/lang/Object.\"<init>\":()V
    4: return    

 public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
    0: ldc      #2         // String Andy
    2: astore_1
    3: ldc      #3         // String 24
    5: astore_2
    6: ldc      #4         // String Developer
    8: astore_3
    9: new      #5         // class java/lang/StringBuilder
   12: dup
   13: invokespecial #6         // Method java/lang/StringBuilder.\"<init>\":()V
   16: aload_1
   17: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   20: aload_2
   21: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   24: aload_3
   25: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   28: invokevirtual #8         // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
   31: astore    4
   33: getstatic   #9         // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   36: aload     4
   38: invokevirtual #10         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   41: return
}

其中，ldc，astore等为java字节码的指令，类似汇编指令。后面的注释使用了Java相关的内容进行了说明。 我们可以看到上面有很多StringBuilder,但是我们在Java代码里并没有显示地调用，这就是JavaJVM做的优化，当JavaJVM遇到字符串拼接的时候，会创建一个StringBuilder对象，后面的拼接，实际上是调用StringBuilder对象的append方法。这样就不会有我们上面担心的问题了。

五、仅靠JVM优化？
既然JVM帮我们做了优化，是不是仅仅依靠JVM的优化就够了呢，当然不是。
下面我们看一段未优化性能较低的代码

public void implicitUseStringBuilder(String[] values) {
 String result = \"\";
 for (int i = 0 ; i < values.length; i ++) {
   result += values[i];
 }
 System.out.println(result);
}

使用javac编译，使用javap查看

public void implicitUseStringBuilder(java.lang.String[]);
  Code:
    0: ldc      #11         // String 
    2: astore_2
    3: iconst_0
    4: istore_3
    5: iload_3
    6: aload_1
    7: arraylength
    8: if_icmpge   38
   11: new      #5         // class java/lang/StringBuilder
   14: dup
   15: invokespecial #6         // Method java/lang/StringBuilder.\"<init>\":()V
   18: aload_2
   19: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   22: aload_1
   23: iload_3
   24: aaload
   25: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   28: invokevirtual #8         // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
   31: astore_2
   32: iinc     3, 1
   35: goto     5
   38: getstatic   #9         // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   41: aload_2
   42: invokevirtual #10         // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   45: return

其中8: if_icmpge 38 和35: goto 5构成了一个循环。8: if_icmpge 38的意思是如果JVM操作数栈的整数对比大于等于（i < values.length的相反结果）成立，则跳到第38行（System.out）。35: goto 5则表示直接跳到第5行。

但是这里面有一个很重要的就是StringBuilder对象创建发生在循环之间，也就是意味着有多少次循环会创建多少个StringBuilder对象，这样明显不好。赤裸裸地低水平代码啊。

稍微优化一下，瞬间提升逼格。

public void explicitUseStringBuider(String[] values) {
 StringBuilder result = new StringBuilder();
 for (int i = 0; i < values.length; i ++) {
   result.append(values[i]);
 }
}

对应的编译后的信息

public void explicitUseStringBuider(java.lang.String[]);
  Code:
    0: new      #5         // class java/lang/StringBuilder
    3: dup
    4: invokespecial #6         // Method java/lang/StringBuilder.\"<init>\":()V
    7: astore_2
    8: iconst_0
    9: istore_3
   10: iload_3
   11: aload_1
   12: arraylength
   13: if_icmpge   30
   16: aload_2
   17: aload_1
   18: iload_3
   19: aaload
   20: invokevirtual #7         // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
   23: pop
   24: iinc     3, 1
   27: goto     10
   30: return

从上面可以看出，13: if_icmpge 30和27: goto 10构成了一个loop循环，而0: new #5位于循环之外，所以不会多次创建StringBuilder.

总的来说，我们在循环体中需要尽量避免隐式或者显式创建StringBuilder. 所以那些了解代码如何编译，内部如何执行的人，写的代码档次都比较高。

六、结论
在大部分情况下 StringBuffer > String

Java.lang.StringBuffer是线程安全的可变字符序列。一个类似于 String 的字符串缓冲区，但不能修改。虽然在任意时间点上它都包含某种特定的字符序列，但通过某些方法调用可以改变该序列的长度和内容。在程序中可将字符串缓冲区安全地用于多线程。而且在必要时可以对这些方法进行同步，因此任意特定实例上的所有操作就好像是以串行顺序发生的，该顺序与所涉及的每个线程进行的方法调用顺序一致。

StringBuffer 上的主要操作是 append 和 insert 方法，可重载这些方法，以接受任意类型的数据。每个方法都能有效地将给定的数据转换成字符串，然后将该字符串的字符追加或插入到字符串缓冲区中。append 方法始终将这些字符添加到缓冲区的末端；而 insert 方法则在指定的点添加字符。

例如，如果 z 引用一个当前内容是“start”的字符串缓冲区对象，则此方法调用 z.append(“le”) 会使字符串缓冲区包含“startle”(累加);而 z.insert(4, “le”) 将更改字符串缓冲区，使之包含“starlet”。

在大部分情况下 StringBuilder > StringBuffer

java.lang.StringBuilder一个可变的字符序列是JAVA 5.0新增的。此类提供一个与 StringBuffer 兼容的 API，但不保证同步，所以使用场景是单线程。该类被设计用作 StringBuffer 的一个简易替换，用在字符串缓冲区被单个线程使用的时候（这种情况很普遍）。如果可能，建议优先采用该类，因为在大多数实现中，它比 StringBuffer 要快。两者的使用方法基本相同。

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