从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现

迷南。 2021-11-18 01:42 333阅读 0赞

在深入学习字符串类之前, 我们先搞懂JVM是怎样处理新生字符串的. 当你知道字符串的初始化细节后, 再去写 Strings="hello"或 Strings=newString("hello")等代码时, 就能做到心中有数。

首先得搞懂字符串常量池的概念。

常量池是Java的一项技术, 八种基础数据类型除了float和double都实现了常量池技术. 这项技术从字面上是很好理解的: 把经常用到的数据存放在某块内存中, 避免频繁的数据创建与销毁, 实现数据共享, 提高系统性能。

字符串常量池是Java常量池技术的一种实现, 在近代的JDK版本中(1.7后), 字符串常量池被实现在Java堆内存中。

下面通过三行代码让大家对字符串常量池建立初步认识:

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer]

我们先来看看第一行代码 Strings1="hello";干了什么.

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 1]

对于这种直接通过双引号""声明字符串的方式, 虚拟机首先会到字符串常量池中查找该字符串是否已经存在. 如果存在会直接返回该引用, 如果不存在则会在堆内存中创建该字符串对象, 然后到字符串常量池中注册该字符串。

在本案例中虚拟机首先会到字符串常量池中查找是否有存在"hello"字符串对应的引用. 发现没有后会在堆内存创建"hello"字符串对象(内存地址0x0001), 然后到字符串常量池中注册地址为0x0001的"hello"对象, 也就是添加指向0x0001的引用. 最后把字符串对象返回给s1。

温馨提示: 图中的字符串常量池中的数据是虚构的, 由于字符串常量池底层是用HashTable实现的, 存储的是键值对, 为了方便大家理解, 示意图简化了字符串常量池对照表, 并采用了一些虚拟的数值。

下面看 Strings2=newString("hello");的示意图：

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 2]

当我们使用new关键字创建字符串对象的时候, JVM将不会查询字符串常量池, 它将会直接在堆内存中创建一个字符串对象, 并返回给所属变量。

所以s1和s2指向的是两个完全不同的对象, 判断s1 == s2的时候会返回false。

> 如果上面的知识理解起来没有问题的话, 下面看些难点的.

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 3]

第一行代码 Strings1=newString("hello ")+newString("world");的执行过程是这样子的:

1.依次在堆内存中创建"hello "和"world"两个字符串对象

2.然后把它们拼接起来 (底层使用StringBuilder实现, 后面会带大家读反编译代码)

3.在拼接完成后会产生新的"hello world"对象, 这时变量s1指向新对象"hello world"

执行完第一行代码后, 内存是这样子的:

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 4]

第二行代码 s1.intern();

String类的源码中有对 intern()方法的详细介绍, 翻译过来的意思是: 当调用 intern()方法时, 首先会去常量池中查找是否有该字符串对应的引用, 如果有就直接返回该字符串; 如果没有, 就会在常量池中注册该字符串的引用, 然后返回该字符串。

由于第一行代码采用的是new的方式创建字符串, 所以在字符串常量池中没有保存"hello world"对应的引用, 虚拟机会在常量池中进行注册, 注册完后的内存示意图如下:

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 5]

第三行代码 Strings2="hello world";

这种直接通过双引号""声明字符串背后的运行机制我们在第一个案例提到过, 这里正好复习一下。

首先虚拟机会去检查字符串常量池, 发现有指向"hello world"的引用. 然后把该引用所指向的字符串直接返回给所属变量。

执行完第三行代码后, 内存示意图如下:

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 6]

如图所示, s1和s2指向的是相同的对象, 所以当判断s1 == s2时返回true。

**最后我们对字符串常量池进行总结**:

当用new关键字创建字符串对象时, 不会查询字符串常量池; 当用双引号直接声明字符串对象时, 虚拟机将会查询字符串常量池. 说白了就是: 字符串常量池提供了字符串的复用功能, 除非我们要显式创建新的字符串对象, 否则对同一个字符串虚拟机只会维护一份拷贝。

# 配合反编译代码验证字符串初始化操作. #

相信看到这里, 再见到有关的面试题, 你已经无所畏惧了, 因为你已经懂得了背后原理。

在结束之前我们不妨再做一道压轴题

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 7]

> 这道压轴题是经过精心设计的, 它不但照应上面所讲的字符串常量池知识, 也引出了后面的话题.

如果看这篇文章是你第一次往底层探索字符串的经历, 那我估计你不能立即给出答案. 因为我第一次见这几行代码时也卡壳了。

首先第一行和第二行是常规的字符串对象声明, 我们已经很熟悉了, 它们分别会在堆内存创建字符串对象, 并会在字符串常量池中进行注册。

影响我们做出判断的是第三行代码 Strings3=s1+s2;, 我们不知道 s1+s2在创建完新字符串"hello world"后是否会在字符串常量池进行注册。

说白了就是我们不知道这行代码是以双引号""形式声明字符串, 还是用new关键字创建字符串。

这时, 我们应该去读一读这段代码的反编译代码. 如果你没有读过反编译代码, 不妨借此机会入门。

在命令行中输入 javap-c对应.class文件的绝对路径, 按回车后即可看到反编译文件的代码段。

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 8]

*  首先调用构造器完成Main类的初始化
 *  0:ldc\#2 // String hello
 *  从常量池中获取"hello "字符串并推送至栈顶, 此时拿到了"hello "的引用
 *  2:astore\_1
 *  将栈顶的字符串引用存入第二个本地变量s1, 也就是s1已经指向了"hello "
 *  3:ldc\#3 // String world
 *  5:astore\_2
 *  重复开始的步骤, 此时变量s2指向"word"
 *  6:new\#4 // class java/lang/StringBuilder
 *  刺激的东西来了: 这时创建了一个StringBuilder, 并把其引用值压到栈顶
 *  9:dup
 *  复制栈顶的值, 并继续压入栈定, 也就意味着栈从上到下有两份StringBuilder的引用, 将来要操作两次StringBuilder.
 *  10:invokespecial\#5 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
 *  调用StringBuilder的一些初始化方法, 静态方法或父类方法, 完成初始化.
 *  13: aload\_1
 *  把第二个本地变量也就是s1压入栈顶, 现在栈顶从上往下数两个数据依次是:s1变量和StringBuilder的引用
 *  14:invokevirtual\#6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
 *  调用StringBuilder的append方法, 栈顶的两个数据在这里调用方法时就用上了.
 *  接下来又调用了一次append方法(之前StringBuilder的引用拷贝两份就用途在此)
 *  完成后, StringBuilder中已经拼接好了"hello world", 看到这里相信大家已经明白虚拟机是如何拼接字符串的了. 接下来就是**关键环节**

*  21:invokevirtual\#7 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
 *  24:astore\_3
 *  拼接完字符串后, 虚拟机调用StringBuilder的 toString()方法获得字符串 hello world, 并存放至s3.
 *  激动人心的时刻来了, 我们之所以不知道这道题的答案是因为不知道字符串拼接后是以new的形式还是以双引号""的形式创建字符串对象.
 *  下面是我们追踪StringBuilder的 toString()方法源码:

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 9]

ok, 这道题解了, s3是通过new关键字获得字符串对象的。

回到题目, 也就是说字符串常量表中没有存储"hello world"的引用, 当s4以引号的形式声明字符串时, 由于在字符串常量池中查不到相应的引用, 所以会在堆内存中新创建一个字符串对象. 所以s3和s4指向的不是同一个字符串对象, 结果为false。

# 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。

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 10]

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。

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 11]

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。

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 12]

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：

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 13]

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)

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 14]

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：

![从底层彻底搞懂String，StringBuilder，StringBuffer的实现][String_StringBuilder_StringBuffer 15]

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。

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/2-Ror2TBEoCGW-o7tdUD0A

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