作者：小傅哥
博客：https://

沉淀、分享、成長，讓自己和他人都能有所收獲！😄

一、前言

聊的是八股的文，干的是搬磚的活！

面我的題開發(fā)都用不到，你為什么要問？可能這是大部分程序員求職時的經(jīng)歷，甚至也是大家討厭和煩躁的點。明明給的是擰螺絲的錢、明明做的是寫CRUD的事、明明擔(dān)的是成工具的人！

明明… 有很多，可明明公司不會招5年開發(fā)做3年經(jīng)驗的事、明明公司也更喜歡具有附加價值的研發(fā)。有些小公司不好說，但在一些互聯(lián)網(wǎng)大廠中，我們都希望招聘到具有培養(yǎng)價值的，也更喜歡能快速打怪升級的，也更愿意讓這樣的人承擔(dān)更大的職責(zé)。

但，你酸了！ 別人看源碼你打游戲、別人學(xué)算法你刷某音、別人寫博客你浪98。所以，沒有把時間用到個人成長上，就一直會被別人榨取。

二、面試題

謝飛機，總感覺自己有技術(shù)瓶頸、有知識盲區(qū)，但是又不知道在哪。所以約面試官聊天，雖然也面不過去！

面試官：飛機，你又抱著大臉，來白嫖我了啦？

謝飛機：嘿嘿，我需要知識，我渴。

面試官：好，那今天聊聊最常用的 String 吧，你怎么初始化一個字符串類型。

謝飛機：String str = "abc";

面試官：還有嗎？

謝飛機：還有？啊，這樣 String str = new String("abc"); 😄

面試官：還有嗎？

謝飛機：啊！？還有！不知道了！

面試官：你不懂 String，你沒看過源碼。還可以這樣；new String(new char[]{'c', 'd'}); 回家再學(xué)學(xué)吧，下次記得給我買百事，我不喝可口。

三、StringBuilder 比 String 快嗎？

1. StringBuilder 比 String 快，證據(jù)呢？

老子代碼一把梭，總有人絮叨這么搞不好，那 StringBuilder 到底那快了！

1.1 String

long startTime = System.currentTimeMillis();
String str = "";
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    str += i;
}
System.out.println("String 耗時：" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

1.2 StringBuilder

long startTime = System.currentTimeMillis();
StringBuilder str = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    str.append(i);
}
System.out.println("StringBuilder 耗時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

1.3 StringBuffer

long startTime = System.currentTimeMillis();
StringBuffer str = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    str.append(i);
}
System.out.println("StringBuffer 耗時" + (System.currentTimeMillis() - startTime) + "毫秒");

綜上，分別使用了 String、StringBuilder、StringBuffer，做字符串鏈接操作(100個、1000個、1萬個、10萬個、100萬個)，記錄每種方式的耗時。最終匯總圖表如下；

從上圖可以得出以下結(jié)論；

1. String 字符串鏈接是耗時的，尤其數(shù)據(jù)量大的時候，簡直沒法使用了。這是做實驗，基本也不會有人這么干！
2. StringBuilder、StringBuffer，因為沒有發(fā)生多線程競爭也就沒有🔒鎖升級，所以兩個類耗時幾乎相同，當(dāng)然在單線程下更推薦使用 StringBuilder 。

2. StringBuilder 比 String 快， 為什么？

String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    str += i;
}

這段代碼就是三種字符串拼接方式，最慢的一種。不是說這種+加的符號，會被優(yōu)化成 StringBuilder 嗎，那怎么還慢？

確實會被JVM編譯期優(yōu)化，但優(yōu)化成什么樣子了呢，先看下字節(jié)碼指令；javap -c ApiTest.class

一看指令碼，這不是在循環(huán)里(if_icmpgt)給我 new 了 StringBuilder 了嗎，怎么還這么慢呢？再仔細看，其實你會發(fā)現(xiàn)，這new是在循環(huán)里嗎呀，我們把這段代碼寫出來再看看；

String str = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
    str = new StringBuilder().append(str).append(i).toString();
}

現(xiàn)在再看這段代碼就很清晰了，所有的字符串鏈接操作，都需要實例化一次StringBuilder，所以非常耗時。并且你可以驗證，這樣寫代碼耗時與字符串直接鏈接是一樣的。 所以把StringBuilder 提到上一層 for 循環(huán)外更快。

四、String 源碼分析

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];

    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

    /** use serialVersionUID from JDK 1.0.2 for interoperability */
    private static final long serialVersionUID = -6849794470754667710L;
 
    ...
}

1. 初始化

在與 謝飛機 的面試題中，我們聊到了 String 初始化的問題，按照一般我們應(yīng)用的頻次上，能想到的只有直接賦值，String str = "abc";，但因為 String 的底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)組char value[]，所以它的初始化方式也會有很多跟數(shù)組相關(guān)的，如下；

String str_01 = "abc";
System.out.println("默認方式：" + str_01);

String str_02 = new String(new char[]{'a', 'b', 'c'});
System.out.println("char方式：" + str_02);

String str_03 = new String(new int[]{0x61, 0x62, 0x63}, 0, 3);
System.out.println("int方式：" + str_03);

String str_04 = new String(new byte[]{0x61, 0x62, 0x63});
System.out.println("byte方式：" + str_04);

以上這些方式都可以初始化，并且最終的結(jié)果是一致的，abc。如果說初始化的方式?jīng)]用讓你感受到它是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么str_01.charAt(0);呢，只要你往源碼里一點，就會發(fā)現(xiàn)它是 O(1) 的時間復(fù)雜度從數(shù)組中獲取元素，所以效率也是非常高，源碼如下；

public char charAt(int index) {
    if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
    }
    return value[index];
}

2. 不可變(final)

字符串創(chuàng)建后是不可變的，你看到的+加號連接操作，都是創(chuàng)建了新的對象把數(shù)據(jù)存放過去，通過源碼就可以看到；

從源碼中可以看到，String 的類和用于存放字符串的方法都用了 final 修飾，也就是創(chuàng)建了以后，這些都是不可變的。

舉個例子

String str_01 = "abc";
String str_02 = "abc" + "def";
String str_03 = str_01 + "def";

不考慮其他情況，對于程序初始化。以上這些代碼 str_01、str_02、str_03，都會初始化幾個對象呢？其實這個初始化幾個對象從側(cè)面就是反應(yīng)對象是否可變性。

接下來我們把上面代碼反編譯，通過指令碼看到底創(chuàng)建了幾個對象。

反編譯下

  public void test_00();
    Code:
       0: ldc           #2                  // String abc
       2: astore_1
       3: ldc           #3                  // String abcdef
       5: astore_2
       6: new           #4                  // class java/lang/StringBuilder
       9: dup
      10: invokespecial #5                  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
      13: aload_1
      14: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      17: ldc           #7                  // String def
      19: invokevirtual #6                  // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
      22: invokevirtual #8                  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
      25: astore_3
      26: return

• str_01 = "abc"，指令碼：0: ldc，創(chuàng)建了一個對象。
• str_02 = "abc" + "def"，指令碼：3: ldc // String abcdef，得益于JVM編譯期的優(yōu)化，兩個字符串會進行相連，創(chuàng)建一個對象存儲。
• str_03 = str_01 + "def"，指令碼：invokevirtual，這個就不一樣了，它需要把兩個字符串相連，會創(chuàng)建StringBuilder對象，直至最后toString:()操作，共創(chuàng)建了三個對象。

所以，我們看到，字符串的創(chuàng)建是不能被修改的，相連操作會創(chuàng)建出新對象。

3. intern()

3.1 經(jīng)典題目

String str_1 = new String("ab");
String str_2 = new String("ab");
String str_3 = "ab";

System.out.println(str_1 == str_2);
System.out.println(str_1 == str_2.intern());
System.out.println(str_1.intern() == str_2.intern());
System.out.println(str_1 == str_3);
System.out.println(str_1.intern() == str_3);

這是一道經(jīng)典的 String 字符串面試題，乍一看可能還會有點暈。答案如下；

false
false
true
false
true

3.2 源碼分析

看了答案有點感覺了嗎，其實可能你了解方法 intern()，這里先看下它的源碼；

/**
 * Returns a canonical representation for the string object.
 * <p>
 * A pool of strings, initially empty, is maintained privately by the
 * class {@code String}.
 * <p>
 * When the intern method is invoked, if the pool already contains a
 * string equal to this {@code String} object as determined by
 * the {@link #equals(Object)} method, then the string from the pool is
 * returned. Otherwise, this {@code String} object is added to the
 * pool and a reference to this {@code String} object is returned.
 * <p>
 * It follows that for any two strings {@code s} and {@code t},
 * {@code s.intern() == t.intern()} is {@code true}
 * if and only if {@code s.equals(t)} is {@code true}.
 * <p>
 * All literal strings and string-valued constant expressions are
 * interned. String literals are defined in section 3.10.5 of the
 * <cite>The Java&trade; Language Specification</cite>.
 *
 * @return  a string that has the same contents as this string, but is
 *          guaranteed to be from a pool of unique strings.
 */
public native String intern();

這段代碼和注釋什么意思呢？

native，說明 intern() 是一個本地方法，底層通過JNI調(diào)用C++語言編寫的功能。

\openjdk8\jdk\src\share\native\java\lang\String.c

Java_java_lang_String_intern(JNIEnv *env, jobject this)  
{  
    return JVM_InternString(env, this);  
}  

oop result = StringTable::intern(string, CHECK_NULL);

oop StringTable::intern(Handle string_or_null, jchar* name,  
                        int len, TRAPS) {  
  unsigned int hashValue = java_lang_String::hash_string(name, len);  
  int index = the_table()->hash_to_index(hashValue);  
  oop string = the_table()->lookup(index, name, len, hashValue);  
  if (string != NULL) return string;   
  return the_table()->basic_add(index, string_or_null, name, len,  
                                hashValue, CHECK_NULL);  
}  

• 代碼塊有點長這里只截取了部分內(nèi)容，源碼可以學(xué)習(xí)開源jdk代碼，連接： https://codeload.github.com/abhijangda/OpenJDK8/zip/master
• C++這段代碼有點像HashMap的哈希桶+鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來存放字符串，所以如果哈希值沖突嚴重，就會導(dǎo)致鏈表過長。這在我們講解hashMap中已經(jīng)介紹，可以回看 HashMap源碼
• StringTable 是一個固定長度的數(shù)組 1009 個大小，jdk1.6不可調(diào)、jdk1.7可以設(shè)置-XX:StringTableSize，按需調(diào)整。

3.3 問題圖解

看圖說話，如下；

1. 先說 ==，基礎(chǔ)類型比對的是值，引用類型比對的是地址。另外，equal 比對的是哈希值。
2. 兩個new出來的對象，地址肯定不同，所以是false。
3. intern()，直接把值推進了常量池，所以兩個對象都做了 intern() 操作后，比對是常量池里的值。
4. str_3 = "ab"，賦值，JVM編譯器做了優(yōu)化，不會重新創(chuàng)建對象，直接引用常量池里的值。所以str_1.intern() == str_3，比對結(jié)果是true。

理解了這個結(jié)構(gòu)，根本不需要死記硬背應(yīng)對面試，讓懂了就是真的懂，大腦也會跟著愉悅。

五、StringBuilder 源碼分析

1. 初始化

new StringBuilder();
new StringBuilder(16);
new StringBuilder("abc");

這幾種方式都可以初始化，你可以傳一個初始化容量，也可以初始化一個默認的字符串。它的源碼如下；

public StringBuilder() {
    super(16);
}

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

定睛一看，這就是在初始化數(shù)組呀！那是不操作起來跟使用 ArrayList 似的呀！

2. 添加元素

stringBuilder.append("a");
stringBuilder.append("b");
stringBuilder.append("c");

添加元素的操作很簡單，使用 append 即可，那么它是怎么往數(shù)組中存放的呢，需要擴容嗎？

2.1 入口方法

public AbstractStringBuilder append(String str) {
    if (str == null)
        return appendNull();
    int len = str.length();
    ensureCapacityInternal(count + len);
    str.getChars(0, len, value, count);
    count += len;
    return this;
}

• 這個是 public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder，的父類與 StringBuffer 共用這個方法。
• 這里包括了容量檢測、元素拷貝、記錄 count 數(shù)量。

2.2 擴容操作

ensureCapacityInternal(count + len);

/**
 * This method has the same contract as ensureCapacity, but is
 * never synchronized.
 */
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    // overflow-conscious code
    if (minimumCapacity - value.length > 0)
        expandCapacity(minimumCapacity);
}

/**
 * This implements the expansion semantics of ensureCapacity with no
 * size check or synchronization.
 */
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);
}

如上，StringBuilder，就跟操作數(shù)組的原理一樣，都需要檢測容量大小，按需擴容。擴容的容量是 n * 2 + 2，另外把原有元素拷貝到新新數(shù)組中。

2.3 填充元素

str.getChars(0, len, value, count);

public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
    // ...
    System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
}

添加元素的方式是基于 System.arraycopy 拷貝操作進行的，這是一個本地方法。

2.4 toString()

既然 stringBuilder 是數(shù)組，那么它是怎么轉(zhuǎn)換成字符串的呢？

stringBuilder.toString();

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

其實需要用到它是 String 字符串的時候，就是使用 String 的構(gòu)造函數(shù)傳遞數(shù)組進行轉(zhuǎn)換的，這個方法在我們上面講解 String 的時候已經(jīng)介紹過。

六、StringBuffer 源碼分析

StringBuffer 與 StringBuilder，API的使用和底層實現(xiàn)上基本一致，維度不同的是 StringBuffer 加了 synchronized 🔒鎖，所以它是線程安全的。源碼如下；

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

那么，synchronized 不是重量級鎖嗎，JVM對它有什么優(yōu)化呢？

其實為了減少獲得鎖與釋放鎖帶來的性能損耗，從而引入了偏向鎖、輕量級鎖、重量級鎖來進行優(yōu)化，它的進行一個鎖升級，如下圖(此圖引自互聯(lián)網(wǎng)用戶：韭韭韭韭菜，畫的非常優(yōu)秀)；

1. 從無鎖狀態(tài)開始，當(dāng)線程進入 synchronized 同步代碼塊，會檢查對象頭和棧幀內(nèi)是否有當(dāng)前線下ID編號，無則使用 CAS 替換。
2. 解鎖時，會使用 CAS 將 Displaced Mark Word 替換回到對象頭，如果成功，則表示競爭沒有發(fā)生，反之則表示當(dāng)前鎖存在競爭鎖就會升級成重量級鎖。
3. 另外，大多數(shù)情況下鎖🔒是不發(fā)生競爭的，基本由一個線程持有。所以，為了避免獲得鎖與釋放鎖帶來的性能損耗，所以引入鎖升級，升級后不能降級。

七、常用API

八、總結(jié)

• 業(yè)精于勤,荒于嬉，你學(xué)到的知識不一定只是為了面試準備，還更應(yīng)該是拓展自己的技術(shù)深度和廣度。這個過程可能很痛苦，但總得需要某一個燒腦的過程，才讓其他更多的知識學(xué)起來更加容易。
• 本文介紹了 String、StringBuilder、StringBuffer，的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和源碼分析，更加透徹的理解后，也能更加準確的使用，不會被因為不懂而犯錯誤。
• 想把代碼寫好，至少要有這四面內(nèi)容，包括；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法、源碼、設(shè)計模式，這四方面在加上業(yè)務(wù)經(jīng)驗與個人視野，才能真的把一個需求、一個大項目寫的具備良好的擴展性和易維護性。

九、系列推薦

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