浅析Java中的String、StringBuilder和StringBuffer源码

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String、StringBuilder、StringBuffer算得上是一个老生常谈的问题了，在实际使用中会经常用到这些类，了解这些类的使用和原理是十分必要的，本文将根据JDK1.8的源码分析。

一、String类

先来看String类的源码：

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    //存储字符串字符的char数组
    private final char value[];
    //hashCode缓存，只有当第一次调用了hashCode方法时才会被赋值，以后调用该方法时直接返回该变量
    private int hash;

    //省略所有的方法和静态变量
}

单凭上述源码可以总结出：
1、String类不可被继承：该类被final修饰。
2、String类是不可变的：value[]被final修饰，可以将String看成是对char数组的一个封装。
3、String类可以序列化，可以和其他String比较其大小：实现了Comparable接口

String类提供了大量的API处理字符串，但是无论怎么操作，原有的String都是不变的，调用类似substring、concat方法都会返回一个全新的String对象。

下面是一个经典的问题：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "abc";
        String b = new String("abc");
        String c = new String("abc");
        String d = b.intern();
        System.out.println(a == b);
        System.out.println(b == c);
        System.out.println(a == d);
    }
}

运行上述代码，输出结果是什么？
答案是：
false
false
true

这是为什么呢？
在JVM中，为了减少内存的消耗，存在一个称为字符串常量池的区域。当我们通过String a = “abc”这样创建一个字符串对象时，JVM会首先在字符串常量池中寻找这个字符串，若存在，则将a直接指向该字符串，若不存在，则在常量池中创建该字符串并将a指向它，所以a==d返回true。当我们通过String b = new String(“abc”)这样创建字符串时，情况就不一样了，它会在堆区创建该字符串对象并使b指向它，同样调用String c = new String(“abc”)时，也会在堆区再创建一个String对象并使c指向它，JVM并不会判断堆区是否存在其它相同的String对象，所以b==c返回false。当调用String d = b.intern();时，intern方法（该方法为native方法）会在字符串常量池中查找是否存在该字符串对象，如果存在，则将d指向该常量池中的字符串对象，如果不存在则在常量池中创建该字符串并指向它，所以a==d返回true。

二、StringBuilder

StringBuilder经常用在需要对字符串进行大量操作的地方，它可以非常高效的对字符串进行拼接等操作。
可能会有人问：我同样可以用+号来拼接字符串啊，为什么还要用到StringBuilder?
如果你提出了这样一个疑问，请看下面代码：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "";
        long st = System.currentTimeMillis();
        for(int i = 0; i < 100000; i++) {
            s += "a";
        }
        long ed = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("时间：" + (ed - st) + "毫秒");

        st = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for(int i = 0; i < 100000; i++) {
            sb.append("a");
        }
        ed = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("时间：" + (ed - st) + "毫秒");
    }
}

运行上述代码，输出：
时间：2735毫秒
时间：2毫秒

可以看出，在大量对字符串进行连接操作的情况下，StringBuilder优势非常明显。下面我们根据上述例子，来逐步了解StringBuilder。
先贴出StringBuilder的源码：

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

    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);
    }
    //省略其他方法
}

StringBuilder继承了AbstractStringBuilder，和String一样实现了CharSequence和Serializable接口。
StringBuilder提供了4个构造器，无参构造器默认创建一个长度为16的char数组，作为存储字符串的缓冲区。用户也可以传入一个int参数指定该缓冲区的大小，也同样可以传入一个初始字符串。字符串存储的实现在其父类AbstractStringBuilder类中。
下面来看AbstractStringBuilder源码：

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abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
    //存储字符串的char数组
    char[] value;

    //字符串的长度
    int count;

    AbstractStringBuilder() {
    }

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

    public AbstractStringBuilder append(String str) {
        //如果str为null，则直接往后拼接"null"
        if (str == null)
            return appendNull();
        int len = str.length();
        //确保value数组的长度足够，不会越界
        ensureCapacityInternal(count + len);
        //将str从value[count]开始拼接
        str.getChars(0, len, value, count);
        //更新数组长度
        count += len;
        return this;
    }

    //扩展value数组的长度，minimumCapacity的值为新char数组的长度
    private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
        if (minimumCapacity - value.length > 0) {
            //将旧数组的值拷贝到新数组
            value = Arrays.copyOf(value,
                    newCapacity(minimumCapacity));
        }
    }
    //省略其它方法...
}

和String不同的是，value数组的长度并不代表字符串的实际长度，而是采用一个变量count记录字符串长度。每当调用append、insert、reverse方法时，会首先判断value长度是否充足，如果长度不够，则会重新分配一个新的char数组并将旧数组拷贝进去，再进行拼接。如果长度足够，则直接将需要拼接的字符串加在数组后面，再修改count的值即可。
当我们需要获取StringBuilder的字符串时，直接调用toString即可，toString方法在StringBuilder中默认是将value数组从0~count截取并返回一个全新的String对象。

了解StringBuilder拼接原理后，我们再来分析为什么在大量的拼接操作时String速度会明显慢于StringBuilder。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "";
        for(int i = 0; i < 100000; i++) {
            s += "a";
        }
        System.out.print(s);
    }
}

将上述代码编译成class文件，通过eclipse自带的class文件分析工具得到main方法的字节码：

public static void main(java.lang.String[] args);
     0  ldc <String ""> [16]
     2  astore_1 [s]
     3  iconst_0
     4  istore_2 [i]
     5  goto 31
     8  new java.lang.StringBuilder [18]
    11  dup
    12  aload_1 [s]
    13  invokestatic java.lang.String.valueOf(java.lang.Object) : java.lang.String [20]
    16  invokespecial java.lang.StringBuilder(java.lang.String) [26]
    19  ldc <String "a"> [29]
    21  invokevirtual java.lang.StringBuilder.append(java.lang.String) : java.lang.StringBuilder [31]
    24  invokevirtual java.lang.StringBuilder.toString() : java.lang.String [35]
    27  astore_1 [s]
    28  iinc 2 1 [i]
    31  iload_2 [i]
    32  ldc <Integer 100000> [39]
    34  if_icmplt 8
    37  getstatic java.lang.System.out : java.io.PrintStream [40]
    40  aload_1 [s]
    41  invokevirtual java.io.PrintStream.print(java.lang.String) : void [46]
    44  return
      Line numbers:
        [pc: 0, line: 6]
        [pc: 3, line: 7]
        [pc: 8, line: 8]
        [pc: 28, line: 7]
        [pc: 37, line: 10]
        [pc: 44, line: 11]
      Local variable table:
        [pc: 0, pc: 45] local: args index: 0 type: java.lang.String[]
        [pc: 3, pc: 45] local: s index: 1 type: java.lang.String
        [pc: 5, pc: 37] local: i index: 2 type: int
      Stack map table: number of frames 2
        [pc: 8, append: {java.lang.String, int}]
        [pc: 31, same]

分析字节码，可以看出字符串+=操作实际上是一个语法糖，在每次循环中，都会创建一个StringBuilder对象（指令8），再调用String.valueOf(s)返回字符串对象（指令12、13），接着调用StringBuilder的append方法对字符串”a”进行拼接（指令19、21），最后再调用StringBuilder的toString方法赋值给变量s（指令24、27），单次循环完成。

所以事实上，上述代码其实可以看成：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "";
        for(int i = 0; i < 100000; i++) {
            StringBuilder sb = new StringBuilder(s);
            sb.append("a");
            s = sb.toString();
        }
        System.out.print(s);
    }
}

每一次循环都会创建一个StringBuilder对象并将字符串s拷贝到自己的value数组，拼接好一个字符串后再调用toString再次创建一个String对象赋值给a，这样频繁的创建对象会造成频繁的GC，而且复制操作又十分耗时，这就是为什么大量的拼接操作中StringBuilder效率要比String好。

三、StringBuffer

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

    private transient char[] toStringCache;
    //省略其它方法
}

StringBuffer和StringBuilder一样继承了AbstractStringBuilder，实现了CharSequence和Serializable接口。
StringBuffer和StringBuilder功能一样，不同点在于StringBuffer中的方法大都用了synchronized修饰，它可以在多线程环境下安全的使用，而StringBuilder不是线程安全的。

StringBuffer比StringBuilder多了一个toStringCache缓冲区。

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

这样在并发环境下大量调用toString方法时，可以减少很多数组复制操作。当然每次更新value数组时都会将toStringCache设为null，保证toString返的是最新的字符串。

相比于StringBuilder，在单线程环境下我们应当尽量使用StringBuilder，它减少了加锁的步骤，效率比StringBuffer更快。而在多线程环境下，应当首先考虑的是线程安全，所以我们应当使用StringBuffer。