StringBuilder_学习笔记

参考：https://www.jianshu.com/p/160c9be0b132

连接符号 "+" 本质

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。

public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "hello ";
        String str2 = "java";
        String str3 = str1 + str2 + "!";
        String str4 = new StringBuilder().append(str1).append(str2).append("!").toString();
    }
}

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。

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        run1();
        run2();
    }   

    public static void run1() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        String result = "";
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            result += i;
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }
    
    public static void run2() {
         long start = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            builder.append(i);
        }
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }
}

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

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？

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);
}

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：

public class StringBuilderTest {
    public static void main(String[] args) {
        int sum = 0;
        final int capacity = 40000000;
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            sum += cost(capacity);
        }
        System.out.println(sum / 100);
    }

    public static long cost(int capacity) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder builder = new StringBuilder(capacity);
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            builder.append("java");
        }
        return System.currentTimeMillis() - start;
    }
}

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。

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

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

public class StringBuilderHolder {
    private final StringBuilder sb;
    public StringBuilderHolder(int capacity) {
        sb = new StringBuilder(capacity);
    }

    public StringBuilder resetAndGet() {
        sb.setLength(0);
        return sb;
    }
}

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：

private static final ThreadLocal<StringBuilderHolder> stringBuilder= new ThreadLocal<StringBuilderHolder>() {
    @Override
    protected StringBuilderHolder initialValue() {
        return new StringBuilderHolder(256);
    }
};
 
StringBuilder sb = stringBuilder.get().resetAndGet();

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。