4.2 刻在石头上的字：String与StringBuilder

4.2 刻在石头上的字：String 与 StringBuilder

本节摘要：String 是不可变对象——一旦创建内容终身不改，所有"修改"方法都返回新串；字符串常量池让相同字面量共享一份对象。== 比引用、equals 比内容，字面量与 new 出来的对象在两种比较下结果不同。循环拼接要用 StringBuilder，它内部是可扩容的字符数组，避免每次拼接都产生新串。本节实测三种拼接方式的耗时差异。

修改一个字符串，到底修改了什么

先做一个小实验，看 String 的"修改"背后发生了什么：

public class ImmutableDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String s = "登记";
        s.toUpperCase();              // 看似把 s 改成大写
        System.out.println(s);        // 输出：登记 —— s 纹丝没动
        s = s + "完成";               // 看似给 s 追加内容
        System.out.println(s);        // 输出：登记完成

        String t = "abc";
        String t2 = t.replace('a', 'X');
        System.out.println(t);        // 输出：abc 原串不变
        System.out.println(t2);       // 输出：Xbc 返回的是新串
    }
}
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第一组：toUpperCase 返回了新串，但没人接住，白算一遍，s 还是原样。第二组：s = s + "完成" 之所以"看起来改了"，是因为 s 这个引用改指向了一个新建的串，旧串"登记"还躺在内存里。String 的任何"修改"操作——拼接、替换、截取、转大小写——一律返回新对象，原对象终身不变。这就是不可变（immutable），第 1 章 1.4 节提过的 final 类围墙在这里兑现：String 是 final 类，不能被继承，内部字符数组也不对外暴露，谁都无法从外部篡改内容。

为什么要这么设计？三个硬理由。安全：类加载的类名、网络连接的路径、文件路径大量用 String 传递，内容若能被改，安全防线形同虚设。共享：不可变对象可以放心共享——常量池正是建立在这个前提上。哈希稳定：String 常被用作 Map 的键（第 5 章），内容不变则哈希值可以缓存起来一次计算反复用。

常量池：同一句话只刻一块碑

public class PoolDemo {
    public static void main(String[] args) {
        String a = "户籍";               // 字面量 进常量池
        String b = "户籍";               // 同一字面量 命中池中同一块碑
        String c = new String("户籍");    // 显式 new 强制在堆里新建对象
        System.out.println(a == b);        // 输出：true 池中同一对象
        System.out.println(a == c);        // 输出：false 堆里另起的对象
        System.out.println(a.equals(c));   // 输出：true 内容相同
        String d = "户籍" + "科";          // 编译期常量折叠 直接得到池里的 户籍科
        String e = "户籍科";
        System.out.println(d == e);        // 输出：true 折叠后与字面量同源
        String f = a + "科";               // 含变量的拼接 运行期生成新对象
        System.out.println(f == e);        // 输出：false 新对象不进池
        System.out.println(f.intern() == e); // 输出：true intern 把串登记进池再返回池内对象
    }
}
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图 4-2 字符串常量池与堆上的对象

这张图配上 PoolDemo 的七行输出，== 的行为规律就齐了：两个字面量比引用通常为真（同一块碑）；字面量与 new 出来的比必为假；含变量的拼接结果不进池。工程结论只有一条：判内容用 equals，== 的结果依赖对象存放位置，那是编译器与池的私事，不该写进业务逻辑。.trim、isEmpty、startsWith 这些常用方法见图下方速记行。

循环拼接：石头与草稿纸的耗时账

不可变的代价在拼接上最明显：s = s + x 每次都新建字符串对象，新旧串在内存里堆成一座山。背景：日志模块要把一万条记录拼成一个大串导出。操作：三种写法各跑一遍，统计耗时：

public class ConcatBench {
    public static void main(String[] args) {
        int n = 10000;

        long t1 = System.currentTimeMillis();
        String s = "";
        for (int i = 0; i < n; i++) s = s + i;              // 写法一：String 直接加
        long t2 = System.currentTimeMillis();

        StringBuilder sb = new StringBuilder();             // 写法二：StringBuilder 草稿纸
        for (int i = 0; i < n; i++) sb.append(i);
        String s2 = sb.toString();
        long t3 = System.currentTimeMillis();

        StringBuffer sf = new StringBuffer();               // 写法三：StringBuffer 同步版
        for (int i = 0; i < n; i++) sf.append(i);
        long t4 = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("String 拼接耗时毫秒：" + (t2 - t1));       // 实测量级：数百毫秒
        System.out.println("StringBuilder 耗时毫秒：" + (t3 - t2));    // 实测量级：个位数毫秒
        System.out.println("StringBuffer 耗时毫秒：" + (t4 - t3));     // 略慢于 StringBuilder
        System.out.println("结果长度一致：" + (s.length() == s2.length())); // 输出：true
    }
}
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结果：三种写法结果完全一致，但 String 直接拼接比 StringBuilder 慢一到两个数量级（机器不同数字不同，量级差稳定）。解读：String 循环拼接每轮新建对象并复制全部旧内容，n 轮的复制总量是平方级；StringBuilder 内部是一个可扩容的字符数组，append 只在数组尾部写入，扩容时按大约翻倍增长，总量接近线性。变式：循环次数只有十来次时，两者差异可忽略，直接加号反而可读性最好——少量拼接用加号、循环拼接用 StringBuilder，这是判断的全部；若能预估总长度，new StringBuilder(预估容量) 传入初始容量可再省掉扩容拷贝。

StringBuffer 与 StringBuilder 的唯一差别是前者给每个方法加了同步、线程安全但单线程白付同步开销，多线程共享同一个拼接缓冲才需要它——实际场景罕见，多数"多线程拼接"其实是各线程各用各的 StringBuilder，最后再合并。

本节要点回顾

• String 不可变：所有修改方法返回新串，原串终身不变；final 类与私有字符数组是围墙，安全性、共享、哈希稳定是三大回报
• 常量池按内容去重：字面量共享一块碑，new 与含变量的拼接另立门户；intern 可把串登记进池
• 判等内容用 equals：== 依赖对象存放位置，字面量场景碰巧为真、换成运行期输入立刻翻车
• 拼接选型一句话：少量用加号、循环用 StringBuilder、预估容量更省、多线程共享缓冲才用 StringBuffer
• 平方级与线性级的差距：String 循环拼接复制总量平方级，StringBuilder 尾部追加接近线性——实测稳定差一到两个数量级

字符串是单个住户的账，下一节看大厅里三个公用窗口：System 计时与数组搬运、Math 取整与随机、Objects 空安全——它们不登记对象、随叫随到。