【JAVA】StringBuilder 详解，append 源码分析，及其底层思想剖析应用_java stringbuilder

一、StringBuilder介绍

StringBuilder 是一个在 Java 编程语言中非常有用的类，用于创建和操作动态字符串。与字符串（String）类不同，StringBuilder 允许进行可变字符串操作，这意味着你可以在不生成新对象的情况下修改字符串的内容，从而提高了处理字符串时的效率和性能。

StringBuilder 类是在 Java 5 中引入的，作为一个对 StringBuffer 类的轻量级和不同步的替代品。由于 StringBuilder 不是线程安全的（与 StringBuffer 相反），它在单线程环境中的性能通常优于 StringBuffer。

二、下面是一些 StringBuilder 常用的方法：

• append()：将指定的字符串追加到此字符序列。
• insert()：将指定的字符串插入此字符序列中的指定位置。
• delete()：移除此序列的子字符串中的字符。
• deleteCharAt()：移除此序列指定位置的字符。
• reverse()：将此字符序列用其反转形式取代。
• toString()：返回此序列中数据的字符串表示形式。

使用 StringBuilder 可以有效地执行多次修改字符串的操作，比如添加、删除或插入字符。这是因为这些操作不会像对 String 对象那样每次都产生新的对象。

三、以下是一个简单的 StringBuilder 示例：

public class StringBuilderExample {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
        sb.append(" World"); // 现在字符串变成了 "Hello World"
        sb.insert(6, "Java "); // 现在字符串变成了 "Hello Java World"
        sb.delete(5, 11); // 现在字符串变成了 "Hello World"
        System.out.println(sb.toString()); // 输出 "Hello World"
    }
}
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这个例子展示了如何创建 StringBuilder 对象，如何使用 append() 方法追加字符串，insert() 方法插入字符串，以及 delete() 方法删除字符串中的一部分。最后，toString() 方法用于将 StringBuilder 对象转换成 String。

四、StringBuilder append 源码分析

AbstractStringBuilder 类中 append 方法的实现，这个类是 Java 标准库中 StringBuilder 和 StringBuffer 的共同父类（至少在某些版本的 JDK 中是这样）。

• 步骤一：这段代码的目的是向当前的字符序列追加一个字符串，并且它处理了传入字符串为 null 的情况，将其转换为特定的字符串形式（通常是
  "null" 字符串）。
  
• 步骤二：在追加字符串之前，确保字符序列有足够的容量来存储新增的字符。这一步是通过内部调用 ensureCapacityInternal
  方法实现的，其中 count 是当前字符序列中字符的数量，len 是要追加的字符串的长度。
  
  这一行是扩容操作的核心。它调用了 Arrays.copyOf 方法，将现有的数组 value 复制到一个新的数组中，新数组的长度是通过newCapacity(minimumCapacity) 方法计算得到的。这个新的容量至少与 minimumCapacity 相等，通常会更大，以便为将来的扩展留出空间，从而减少数组复制的次数，提高效率。
• 步骤三：这一行是实际的追加操作，它使用 String 类的 getChars
  方法将要追加的字符串复制到当前字符序列中。getChars
  方法的参数指定了源字符串的开始和结束索引（在这里是整个字符串），目标数组（value，即当前字符序列的底层数组），以及在目标数组中的开始位置（count）。
• 步骤四：更新字符序列的长度。
• 步骤五：返回当前对象的引用，允许链式调用。

五、底层思想剖析及其在软件设计中的应用

在 StringBuilder 的实现中使用的技巧主要是为了提高性能和效率，特别是在处理大量字符串操作时。下面是一些关键的技巧及其在实际开发中的应用场景：

1. 动态扩容策略

StringBuilder 通过内部的字符数组来存储字符串数据。当现有容量不足以容纳更多的字符时，它会自动扩容。这种动态扩容的技巧可以减少内存的重新分配次数和复制次数，从而提高性能。

应用场景：

• 集合类的实现： 自定义的集合类（如列表、栈、队列等）可以采用类似的动态扩容策略，以优化存储和访问效率。
• 资源池： 在实现如线程池、连接池等资源池时，动态扩容和收缩策略可以根据负载自动调整资源数量，提高资源利用率和响应速度。

2、延迟分配

StringBuilder 初始化时可能不立即分配内部存储空间，或者分配一个较小的空间，直到真正需要更多空间时才进行扩容。这种延迟分配的策略可以减少不必要的内存占用。

应用场景：

• 延迟初始化： 在对象的属性或资源比较昂贵且可能不会立即使用的情况下，可以延迟初始化这些资源，以节省启动时间和内存空间。
• 缓冲区管理： 在进行文件读写、网络通信等操作时，采用动态调整的缓冲区可以根据数据量的变化优化性能。

3、避免不必要的对象创建

通过在内部操作可变字符数组，StringBuilder 避免了字符串拼接时频繁创建和销毁不变字符串（String）实例的开销。

应用场景：

• 高效字符串处理： 在处理大量字符串拼接、修改操作时，使用StringBuilder 或类似机制可以显著提高性能。
• 可变对象的设计： 在设计需要频繁修改的数据结构时，考虑使用可变对象来减少不必要的对象创建和销毁。

4、线程安全与非线程安全的选择

StringBuilder 是非线程安全的，适用于单线程环境，而它的线程安全版本 StringBuffer 则适用于多线程环境。根据实际需要选择适当的类型可以平衡性能和线程安全。

应用场景：

• 单线程与多线程环境的选择： 根据应用的实际并发需求，合理选择线程安全或非线程安全的数据结构，以优化性能和资源使用。
• 并发工具的使用： 在多线程环境中，可以根据具体场景选择合适的并发控制机制，如使用 synchronized、Lock、Atomic
  类等，来保证线程安全。

通过理解和应用 StringBuilder 中的这些技巧，我们可以在实际开发中设计出更高效、更灵活的应用程序。