目錄

StringBuilder是什么

核心特性：

StringBuilder數據結構

1. 核心存儲結構（基于父類?AbstractStringBuilder）

2. 類定義與繼承關系

3. 數據結構的核心特點

StringBuilder數據結構的初始化方式

1. 無參構造：默認初始容量為 16

2. 指定初始容量：自定義數組大小

3. 基于已有字符串初始化：容量 = 字符串長度 + 16

初始化的核心邏輯

在append()追加時，如果容量不足，如何擴容

1. 計算所需的最小容量

2. 判斷是否需要擴容

3. 確定新的容量

4. 創建新數組并復制數據

5. 更新相關屬性

源碼解析如下：

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深入理解 String 類的不可變性及其內部數據結構_Java字符串拼接性能優化-CSDN博客

小編在這篇博客中講過，當我們對一個String對象進行修改（如拼接、替換等）時，原對象的內容不會被改變，JVM 會創建一個全新的String對象來存儲修改后的結果，并將變量引用指向新對象。

String類型的不可變保障線程安全，優化哈希性能，支持常量池復用以及確保數據安全，但在需要頻繁修改字符串的場景中（例如循環拼接大量數據），會產生大量臨時對象，不僅占用額外內存，還會增加垃圾回收的負擔，導致性能顯著下降。而StringBuilder的出現彌補了String類這一缺點，今天，我們就來深入解讀StringBuilder類的數據結構與擴容方式，看看它是如何高效應對字符串的動態變化的。

StringBuilder是什么

StringBuilder?是 Java 中用于處理可變字符序列的類，主要用于高效地進行字符串的動態構建和修改，是為解決?String?類在頻繁字符串操作時的性能問題而設計的。

核心特性：

1. 可變性
   這是?StringBuilder?最核心的特性。與?String?的不可變性不同，StringBuilder?的內部字符序列可以直接修改（如拼接、插入、刪除等），所有操作都在原有對象上進行，不會像?String?那樣每次修改都創建新對象，從而大幅減少內存消耗和垃圾回收壓力。

2. 高效的字符串操作
   提供了豐富的操作方法，如?append()（追加任意類型數據）、insert()（指定位置插入）、delete()（刪除區間字符）、replace()（替換字符）等，這些方法均針對性能優化設計，執行效率遠高于?String?的同類操作（尤其在循環拼接等場景中）。

3. 非線程安全
   StringBuilder?的方法沒有添加?synchronized?同步鎖，因此在多線程環境下并發修改可能導致數據不一致。但這也使其在單線程場景中性能優于線程安全的?StringBuffer（避免了同步帶來的開銷）。

4. 動態擴容機制
   內部基于字符數組（Java 9 后優化為字節數組，根據字符編碼動態調整存儲方式）存儲數據，初始容量可自定義（默認 16）。當追加內容導致容量不足時，會自動擴容（通常為原容量的 2 倍加 2），并復制原有數據到新數組，平衡了內存占用和操作效率。

5. 與 String 的便捷轉換
   可通過?toString()?方法快速轉換為?String?對象，滿足需要?String?類型參數的場景，轉換過程會創建新的?String?對象，但僅執行一次，性能開銷可控。

// 創建對象
StringBuilder sb = new StringBuilder();// 追加內容
sb.append("Hello");
sb.append(" ");
sb.append("World");// 插入內容
sb.insert(5, ","); // 在索引5處插入逗號// 轉換為String
String result = sb.toString(); // 結果："Hello, World"

StringBuilder數據結構

1. 核心存儲結構（基于父類?AbstractStringBuilder）

StringBuilder?本身不直接定義存儲結構，而是繼承自抽象類?AbstractStringBuilder，核心數據存儲由父類維護，主要包含兩個關鍵成員變量：

• 存儲字符的數組：

  • Java 8 及之前：使用?char[] value?數組，每個字符固定占用 2 個字節（UTF-16 編碼），直接存儲字符序列。
  • Java 9 及之后：優化為?byte[] value?數組，根據字符類型動態選擇編碼：
    • 若字符為 ASCII 或 Latin-1 范圍內（單字節可表示），則用 1 字節存儲，節省內存；
    • 若包含多字節字符（如中文、日文），則用 2 字節存儲（UTF-16 編碼）。

• 字符長度計數器：int count，記錄當前存儲的有效字符數量（而非數組容量）。

2. 類定義與繼承關系

StringBuilder?的類定義簡化如下（省略部分接口實現）：

// 繼承 AbstractStringBuilder，實現字符序列和可追加接口
public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements CharSequence, Appendable {// 構造方法（調用父類構造）public StringBuilder() {super(16); // 默認初始容量 16}public StringBuilder(int capacity) {super(capacity); // 指定初始容量}public StringBuilder(String str) {super(str.length() + 16); // 初始容量 = 字符串長度 + 16append(str);}// 其他方法（如 append、insert 等，實際調用父類方法）
}// 父類 AbstractStringBuilder 的核心定義
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {// Java 9+ 用 byte[]，Java 8 及之前用 char[]byte[] value; int count; // 有效字符數// 父類構造方法（初始化數組容量）AbstractStringBuilder(int capacity) {if (capacity < 0)throw new NegativeArraySizeException();value = new byte[capacity]; // 初始化數組}
}

3. 數據結構的核心特點

• 數組存儲：通過連續的數組結構存儲字符，支持快速隨機訪問（如通過索引獲取字符）。
• 容量與長度分離：value?數組的長度是「容量」（可容納的最大字符數），count?是「實際長度」（已存儲的字符數），容量 ≥ 長度。
• 動態適配：Java 9+ 的?byte[]?優化減少了單字節字符的內存占用，平衡了存儲效率和兼容性。

StringBuilder數據結構的初始化方式

StringBuilder?內部數據結構（字符數組）的初始化方式由其構造方法決定，主要通過以下 3 種方式指定初始容量，以適配不同場景的字符串操作需求：

1. 無參構造：默認初始容量為 16

當使用無參構造方法?new StringBuilder()?時，會調用父類?AbstractStringBuilder?的構造方法，初始化一個容量為 16 的字符數組（Java 8 及之前為?char[]，Java 9+ 為?byte[]）。

StringBuilder sb = new StringBuilder(); 
// 內部數組初始容量為 16，可直接存儲 16 個字符（或更多，取決于編碼）

2. 指定初始容量：自定義數組大小

如果已知字符串的大致長度，可通過?new StringBuilder(int capacity)?手動指定初始容量，避免后續頻繁擴容。父類會根據傳入的?capacity?初始化對應大小的數組。

StringBuilder sb = new StringBuilder(100); 
// 內部數組初始容量為 100，適合預計存儲約 100 個字符的場景

3. 基于已有字符串初始化：容量 = 字符串長度 + 16

當傳入一個?String?對象作為參數（new StringBuilder(String str)）時，初始容量會設為「字符串長度 + 16」，既容納原有字符串，又預留 16 個字符的空間供后續追加。同時會將傳入的字符串內容復制到內部數組中。

String str = "hello"; // 長度為 5
StringBuilder sb = new StringBuilder(str); 
// 內部數組初始容量 = 5 + 16 = 21，且已存儲 "hello" 這 5 個字符

初始化的核心邏輯

無論哪種方式，最終都是通過父類?AbstractStringBuilder?的構造方法完成數組初始化：

// 父類 AbstractStringBuilder 的構造方法（簡化）
AbstractStringBuilder(int capacity) {if (capacity < 0) {throw new NegativeArraySizeException();}// 初始化數組（Java 8 為 char[]，Java 9+ 為 byte[]）value = new byte[capacity]; // 以 Java 9+ 為例
}

通過合理選擇初始化方式（尤其是指定初始容量），可以減少后續?append()?操作時的擴容次數，進一步提升?StringBuilder?的性能。這種結構設計使得?StringBuilder?既能直接修改原有數據（實現可變性），又能通過數組的連續內存特性保證操作效率，是其高性能的核心基礎。

在append()追加時，如果容量不足，如何擴容

當使用?StringBuilder?的?append()?方法追加字符或字符串時，如果當前內部字符數組的剩余容量不足以容納新的數據，就會觸發擴容操作。StringBuilder?擴容的具體流程如下（以 Java 8 及之后版本為例，Java 9 后對存儲方式有優化，但擴容邏輯主體一致 ）：

1. 計算所需的最小容量

在追加數據之前，StringBuilder?會先計算追加新數據后總共需要的字符數量，將其記為?minCapacity?。這個值是在原有有效字符數量（由?count?變量記錄）的基礎上，加上即將追加的數據的字符長度。

2. 判斷是否需要擴容

將計算得到的?minCapacity?與當前字符數組（value）的容量（即?value.length?）進行比較。如果?minCapacity?大于當前數組的容量，就意味著當前數組無法容納新追加的數據，此時需要進行擴容操作。

3. 確定新的容量

StringBuilder?采用一種簡單的擴容策略來確定新的數組容量，具體的計算方式是將當前容量乘以 2 再加 2 ，即

newCapacity = oldCapacity * 2 + 2

例如，如果當前數組的容量?oldCapacity?為 16，那么擴容后的新容量?newCapacity?就是?16 * 2 + 2 = 34?。

不過，如果通過上述計算得到的?newCapacity?仍然小于?minCapacity?，則會直接將?newCapacity?設置為?minCapacity?，以確保新數組能夠容納追加后的數據。

4. 創建新數組并復制數據

確定了新的容量?newCapacity?后，StringBuilder?會創建一個新的字符數組（char[]?），其長度為?newCapacity?。然后，通過系統調用（System.arraycopy()?）將原數組中的數據復制到新數組中。這一步保證了原有的字符序列不會丟失，并且新數組有足夠的空間來存儲即將追加的數據。

5. 更新相關屬性

復制完成后，StringBuilder?會將內部用于存儲字符的數組引用（value?）指向新創建的數組，同時更新其他可能相關的屬性（例如在一些優化的實現中，可能會涉及到對編碼標識等屬性的調整 ），使得后續的追加操作可以在新的、更大容量的數組上進行。

源碼解析如下：

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {// 追加字符的方法public AbstractStringBuilder append(char c) {ensureCapacityInternal(count + 1);putChar(count++, c);return this;}// 追加字符串的方法public AbstractStringBuilder append(String str) {if (str == null)return appendNull();int len = str.length();ensureCapacityInternal(count + len);str.getBytes(coder, 0, len, value, count);count += len;return this;}// 確保內部容量足夠的方法private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {// overflow-conscious codeif (minimumCapacity - value.length > 0)expandCapacity(minimumCapacity);}// 執行擴容的方法void expandCapacity(int minimumCapacity) {int newCapacity = value.length * 2 + 2;if (newCapacity - minimumCapacity < 0)newCapacity = minimumCapacity;if (newCapacity < 0) {if (minimumCapacity < 0) // overflowthrow new OutOfMemoryError();newCapacity = Integer.MAX_VALUE;}value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);}
}

• append(char c)?和?append(String str)?方法在追加數據前，都會先調用?ensureCapacityInternal(int minimumCapacity)?方法，計算追加數據后所需的最小容量minimumCapacity，并判斷當前數組容量是否足夠。
• 如果當前容量不足，ensureCapacityInternal?方法會調用?expandCapacity(int minimumCapacity)?進行擴容。expandCapacity?方法先按照?newCapacity = oldCapacity * 2 + 2?的規則計算新容量newCapacity，如果計算出的新容量小于minimumCapacity，則將newCapacity設置為minimumCapacity?。同時，還會處理新容量溢出的情況，若溢出且minimumCapacity小于 0，拋出OutOfMemoryError，否則將newCapacity設置為Integer.MAX_VALUE?。最后通過Arrays.copyOf方法將原數組數據復制到新的、更大容量的數組中，完成擴容。

通過以上步驟，StringBuilder?實現了在容量不足時的自動擴容，從而保證了在頻繁追加數據的情況下，仍然能夠高效地進行字符串操作。

StringBuilder憑借其可變的字符序列設計、靈活的初始化方式以及智能的擴容機制，完美解決了String在頻繁字符串操作時的性能瓶頸。從數據結構到擴容邏輯，每一處都為高效處理動態字符串而生，是 Java 中構建復雜字符串、提升程序性能的得力工具，尤其在大量字符串拼接等場景下，能顯著優化內存使用與執行效率。

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