浅谈 Java 中的 StringBuilder

连接符号 “+” 本质

在《浅谈Java String内幕(1)》 中,字符串变量(非final修饰)通过 “+” 进行拼接,在编译过程中会转化为StringBuilder对象的append操作,注意是编译过程,而不是在JVM中。

上述 str3 和 str4 的执行效果其实是一样的,不过在for循环中,千万不要使用 “+” 进行字符串拼接。

在for循环中使用 “+” 和StringBuilder进行1万次字符串拼接,耗时情况如下:
1、使用 “+” 拼接,平均耗时 250ms;
2、使用StringBuilder拼接,平均耗时 1ms;

for循环中使用 “+” 拼接为什么这么慢?下面是run1方法的字节码指令
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5 ~ 34 行对应for循环的代码,可以发现,每次循环都会重新初始化StringBuilder对象,导致性能问题的出现。

性能问题

StringBuilder内部维护了一个char[]类型的value,用来保存通过append方法添加的内容,通过 new StringBuilder() 初始化时,char[]的默认长度为16,如果append第17个字符,会发生什么?

如果value的剩余容量,无法添加全部内容,则通过expandCapacity(int minimumCapacity)方法对value进行扩容,其中minimumCapacity = 原value长度 + append添加的内容长度。
1、扩大容量为原来的两倍 + 2,为什么要 + 2,而不是刚好两倍?
2、如果扩容之后,还是无法添加全部内容,则将 minimumCapacity 作为最终的容量大小;
3、利用 System.arraycopy 方法对原value数据进行复制;

在使用StringBuilder时,如果给定一个合适的初始值,可以避免由于char[]数组多次复制而导致的性能问题。

不同初始容量的性能测试:

执行一千万次append操作,不同初始容量的耗时情况如下:
1、容量为默认16时,平均耗时110ms;
2、容量为40000000时,不会发生复制操作,平均耗时85ms;

通过以上数据可以发现,性能损耗不是很严重。

内存问题

1、StringBuilder内部进行扩容时,会新建一个大小为原来两倍+2的char数组,并复制原char数组到新数组,导致内存的消耗,增加GC的压力。
2、StringBuilder的toString方法,也会造成char数组的浪费。

String的构造方法中,会新建一个大小相等的char数组,并使用 System.arraycopy() 复制StringBuilder中char数组的数据,这样StringBuilder的char数组就白白浪费了。

重用StringBuilder

通过 sb.setLength(0) 方法可以把char数组的内存区域设置为0,这样char数组重复使用,为了避免并发访问,可以在ThreadLocal中使用StringBuilderHolder,使用方式如下:

不过这种方式也存在一个问题,该StringBuilder实例的内存空间一直不会被GC回收,如果char数组在某次操作中被扩容到一个很大的值,可能之后很长一段时间都不会用到如此大的空间,就会造成内存的浪费。

总结

虽然使用默认的StringBuilder进行字符串拼接操作,性能消耗不是很严重,但在高性能场景下,还是推荐使用ThreadLocal下可重用的StringBuilder方案。

参考资料:
StringBuilder在高性能场景下的正确用法

 

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关于作者:占小狼

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