Java基础-10：彻底搞懂Java String, StringBuffer, StringBuilder底层原理和避坑指南

beata
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在Java开发中，字符串处理是最常见的操作之一。然而，很多开发者对 String、StringBuffer 和 StringBuilder 的区别仅停留在“可变/不可变”或“线程安全/非线程安全”的表面理解上。本文将从底层源码实现出发，深入剖析三者的内部机制，并结合最佳实践与常见陷阱，帮助你彻底掌握它们的使用之道。

一、核心区别概览

特性StringStringBufferStringBuilder
可变性不可变（Immutable）可变（Mutable）可变（Mutable）
线程安全是（因不可变）是（synchronized）否
底层存储final char[] valuechar[] value（非final）char[] value（非final）
性能拼接性能差（频繁创建新对象）中等（同步开销）最高（无同步）
适用场景常量、少量拼接多线程环境下的字符串构建单线程下的高性能拼接

二、底层源码深度解析

1. String：不可变性的根源

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    
    private final byte[] value; // Java 9+ 使用 byte[] + coder 字段优化内存
    // Java 8 及之前：private final char[] value;
    
    // 所有修改操作（如 concat, replace）都返回新 String 对象
    public String concat(String str) {
        if (str.isEmpty()) return this;
        return new String(value, true).concat(str); // 实际创建新对象
    }
}

关键点：

  • final 类 + final 字段 → 不可变
  • 任何“修改”操作都会创建新对象，旧对象保留在常量池或堆中
  • Java 9 起，为节省内存，String 内部改用 byte[] 存储，并通过 coder 字段标识是 LATIN1 还是 UTF16 编码

📌 不可变性的好处：线程安全、可缓存（字符串常量池）、可用作 HashMap 的 key。

2. StringBuffer：线程安全的可变字符串

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

    @Override
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        toStringCache = null;
        super.append(str);
        return this;
    }
}
  • 继承自 AbstractStringBuilder
  • 所有 public 方法都加了 synchronized → 线程安全
  • 内部使用 char[] value（非 final），可动态扩容

3. StringBuilder：高性能的单线程选择

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

    @Override
    public StringBuilder append(String str) {
        super.append(str);
        return this;
    }
}
  • 同样继承 AbstractStringBuilder
  • 方法无 synchronized → 非线程安全，但性能更高
  • 与 StringBuffer 共享大部分逻辑（如扩容策略）

4. AbstractStringBuilder：共享的核心逻辑

StringBuffer 和 StringBuilder 的核心实现在 AbstractStringBuilder 中：

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
    char[] value;
    int count; // 当前字符数

    public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null) str = "null";
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len); // 扩容检查
        str.getChars(0, len, value, count);  // 复制字符
        count += len;
        return this;
    }

    private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
        if (minimumCapacity - value.length > 0) {
            value = Arrays.copyOf(value, newCapacity(minimumCapacity));
        }
    }

    private int newCapacity(int minCapacity) {
        int newCapacity = (value.length << 1) + 2; // 扩容为原长度*2+2
        if (newCapacity - minCapacity < 0)
            newCapacity = minCapacity;
        return newCapacity;
    }
}

扩容策略：
默认容量 16，当空间不足时，新容量 = 原容量 * 2 + 2。若仍不够，则直接使用所需最小容量。

三、性能对比实验

// 测试：拼接 10 万次 "a"
long start = System.currentTimeMillis();

// 方式1：String +=
String s = "";
for (int i = 0; i < 100_000; i++) s += "a"; // 极慢！O(n²)

// 方式2：StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100_000; i++) sb.append("a"); // 快！

// 方式3：StringBuffer
StringBuffer buf = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < 100_000; i++) buf.append("a"); // 比 StringBuilder 慢约 10~30%

System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

结果（JDK 17，典型值）：

  • String +=：> 10,000 ms（不推荐）
  • StringBuilder：≈ 5 ms
  • StringBuffer：≈ 7 ms

💡 注意：现代编译器（如 JDK 8+）会对局部变量的 += 操作自动优化为 StringBuilder，但跨方法或循环内多次拼接仍会退化。

四、最佳实践与避坑指南

✅ 正确使用姿势

  1. 字符串常量/少量拼接 → 用 String

    String msg = "Hello, " + name + "!"; // 编译期优化为 StringBuilder

  2. 单线程大量拼接 → 用 StringBuilder

    StringBuilder sb = new StringBuilder(1024); // 预估容量避免多次扩容
for (String item : list) sb.append(item).append("\n");
return sb.toString();

  3. 多线程共享构建 → 用 StringBuffer（但更推荐同步外部控制）

    // 更佳方案：用 StringBuilder + 外部 synchronized
private final StringBuilder sharedBuilder = new StringBuilder();

public synchronized void append(String s) {
    sharedBuilder.append(s);
}

⚠️ 常见陷阱与避坑

坑1：误以为 String += 总是高效

// 错误：在循环中使用 +=
String result = "";
for (int i = 0; i < n; i++) {
    result += items[i]; // 每次都 new StringBuilder + toString()
}

✅ 修复：改用 StringBuilder

坑2：忽略初始容量导致频繁扩容

// 默认容量16，若拼接1000字符，会扩容多次
StringBuilder sb = new StringBuilder();

✅ 修复：预估大小

StringBuilder sb = new StringBuilder(expectedSize);

坑3：在多线程中误用 StringBuilder

// 多线程并发 append 可能导致数组越界或数据错乱！
static StringBuilder sb = new StringBuilder();

✅ 修复：改用 StringBuffer 或线程局部变量（ThreadLocal<StringBuilder>）

坑4：混淆 equals() 行为

StringBuffer sb1 = new StringBuffer("hello");
StringBuffer sb2 = new StringBuffer("hello");
System.out.println(sb1.equals(sb2)); // false！因为未重写 equals()

✅ 注意：StringBuffer/StringBuilder 的 equals() 是引用比较，不要用于内容比较。应转为 String 后再比较：

sb1.toString().equals(sb2.toString());

五、总结

场景推荐类型
字符串常量、配置项、keyString
单线程内大量拼接（日志、JSON 构建等）StringBuilder（带初始容量）
多线程共享且必须在线程内拼接StringBuffer（但优先考虑外部同步）
需要内容比较统一转为 String 后使用 equals()

核心原则：

  • 不可变用 String，可变拼接用 StringBuilder，线程安全需求才考虑 StringBuffer
  • 永远不要在循环中用 String += 拼接
  • 预估容量，减少扩容开销
  • 多线程下慎用 StringBuilder

掌握这些底层原理与实践技巧，你就能在字符串处理上写出高性能、无 bug 的 Java 代码！

📚 延伸阅读：

  • 《Java Performance: The Definitive Guide》
  • OpenJDK 源码：java.lang.String, java.lang.AbstractStringBuilder
  • JEP 254: Compact Strings（Java 9 字符串内存优化）

作者：架构师Beata
日期：2026年2月9日
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