【码道】字符串操作详解

【码道】系列博客致力于为广大Java学习者提供清晰、系统的学习路径。从基础语法到高级特性，从理论讲解到实战应用，我们将用简洁易懂的语言，带您循序渐进地掌握Java编程精髓。无论您是初学者还是希望巩固基础的开发者，都能在这里找到成长为Java高手的捷径。让我们一起探索编程之道，体验Java的无限魅力！

一、字符串：程序中的文本处理核心

在编程世界中，文本数据无处不在。从用户名、密码到文章内容，从配置文件到网页内容，我们需要不断地处理各种文本信息。在Java中，字符串（String）是处理文本的基础工具，也是使用频率最高的引用类型之一。

字符串本质上是字符的有序序列。例如，"Hello"是由’H’、‘e’、‘l’、‘l’、'o’五个字符组成的字符串。今天，我们将深入学习Java中字符串的各种操作方法。

二、String类基础

在Java中，字符串由String类表示，它是Java标准库中的核心类，位于java.lang包中（无需显式导入）。

1. 字符串的特点

• 不可变性：一旦创建，字符串的内容不能修改
• 字符序列：本质上是一系列Unicode字符的集合
• 线程安全：因为不可变，所以天然线程安全
• 特殊地位：Java对字符串提供了特殊支持，如字符串字面量

三、创建字符串

Java中创建字符串有多种方式：

1. 字符串字面量

最常见的方式是使用字符串字面量（双引号括起的文本）：

String name = "张三";
String message = "你好，世界！";

2. 使用new关键字

可以通过new关键字显式创建字符串对象：

String city = new String("北京");
char[] chars = {'上', '海'};
String city2 = new String(chars);

3. 字符串常量池

为了提高效率，Java维护了一个字符串常量池。使用字面量创建的字符串会被放入池中重用：

String s1 = "hello";
String s2 = "hello";  // 不会创建新对象，而是复用s1引用的对象
String s3 = new String("hello");  // 强制创建新对象，不使用常量池

四、字符串的不可变性

String对象一旦创建，它的值就不能改变。这看起来与我们的直觉相反：

String name = "张";
name = name + "三";  // 看起来修改了字符串，但实际上...

实际发生的是：

1. 创建了字符串"张"
2. 创建了新字符串"三"
3. 创建了新字符串"张三"
4. 变量name的引用改为指向新创建的"张三"
5. 原来的"张"字符串对象依然存在，只是没有引用指向它了

这种不可变性虽然看起来低效，但带来了很多好处：

• 安全性：不会被意外修改
• 线程安全：多线程可以共享访问
• 哈希操作优化：可以缓存哈希码

五、常用字符串操作方法

1. 获取字符串信息

String text = "Hello, Java!";

// 获取长度
int length = text.length();  // 12

// 检查是否为空
boolean isEmpty = text.isEmpty();  // false

// 获取特定位置的字符（索引从0开始）
char firstChar = text.charAt(0);  // 'H'

2. 查找和子串操作

String sentence = "Java是世界上最流行的编程语言之一";

// 查找子串位置
int index = sentence.indexOf("流行");  // 8
int lastIndex = sentence.lastIndexOf("语言");  // 12

// 检查前缀和后缀
boolean startsWithJava = sentence.startsWith("Java");  // true
boolean endsWithOne = sentence.endsWith("之一");  // true

// 提取子串
String sub1 = sentence.substring(8);  // "流行的编程语言之一"
String sub2 = sentence.substring(8, 10);  // "流行"

3. 字符串修改操作

由于不可变性，这些操作实际上都是创建新的字符串：

String original = "Hello, World!";

// 转换大小写
String upper = original.toUpperCase();  // "HELLO, WORLD!"
String lower = original.toLowerCase();  // "hello, world!"

// 替换字符或子串
String replaced = original.replace('l', 'L');  // "HeLLo, WorLd!"
String replacedStr = original.replace("World", "Java");  // "Hello, Java!"

// 去除首尾空白
String withSpaces = "  trim example  ";
String trimmed = withSpaces.trim();  // "trim example"

// 连接字符串
String firstName = "张";
String lastName = "三";
String fullName = firstName.concat(lastName);  // "张三"

4. 字符串分割和连接

// 分割字符串
String csvLine = "苹果,香蕉,葡萄,橙子";
String[] fruits = csvLine.split(",");  // ["苹果", "香蕉", "葡萄", "橙子"]

// 使用静态方法连接
String[] words = {"This", "is", "a", "test"};
String joined = String.join(" ", words);  // "This is a test"

六、字符串比较

1. equals方法：比较内容

String s1 = "hello";
String s2 = "hello";
String s3 = new String("hello");

System.out.println(s1.equals(s2));  // true（内容相同）
System.out.println(s1.equals(s3));  // true（内容相同）
System.out.println(s1 == s2);       // true（同一对象，都来自常量池）
System.out.println(s1 == s3);       // false（不同对象）

2. 忽略大小写比较

String name1 = "Java";
String name2 = "java";
System.out.println(name1.equalsIgnoreCase(name2));  // true

3. 比较字符串大小（字典顺序）

String word1 = "apple";
String word2 = "banana";
int result = word1.compareTo(word2);  // 负数，表示word1<word2

七、字符串格式化

Java提供了类似C语言printf的格式化功能：

String name = "张三";
int age = 25;
double height = 175.5;

// 格式化字符串
String info = String.format("姓名：%s，年龄：%d岁，身高：%.1f厘米", name, age, height);
// 输出: 姓名：张三，年龄：25岁，身高：175.5厘米

// 常用格式说明符
// %s - 字符串
// %d - 整数
// %f - 浮点数（%.2f 表示保留2位小数）
// %c - 字符
// %b - 布尔值
// %n - 换行符

// 直接使用printf方法输出格式化字符串
System.out.printf("欢迎%s光临，您是今天第%d位顾客%n", name, 5);

八、StringBuilder和StringBuffer：高效字符串构建

由于String的不可变性，大量拼接字符串会产生大量临时对象，效率低下：

String result = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    result += i;  // 低效，每次都创建新字符串
}

Java提供了两个可变字符序列类用于高效构建字符串：

1. StringBuilder（非线程安全，但更高效）

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(i);  // 高效，不创建临时对象
}
String result = sb.toString();

2. StringBuffer（线程安全，略微慢一些）

StringBuffer buffer = new StringBuffer();
buffer.append("Hello");
buffer.append(" ");
buffer.append("World");
String result = buffer.toString();  // "Hello World"

3. 常用方法

StringBuilder builder = new StringBuilder("Hello");

// 添加内容
builder.append(" World");  // "Hello World"

// 插入内容
builder.insert(5, ",");  // "Hello, World"

// 删除内容
builder.delete(5, 7);  // "Hello World"

// 替换内容
builder.replace(6, 11, "Java");  // "Hello Java"

// 反转
builder.reverse();  // "avaJ olleH"

4. 性能对比

// 测量String拼接和StringBuilder的性能差异
long startTime = System.currentTimeMillis();

// 使用String拼接
String s = "";
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    s += "a";
}

long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("String拼接耗时：" + (endTime - startTime) + "毫秒");

// 使用StringBuilder
startTime = System.currentTimeMillis();
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
    sb.append("a");
}
String result = sb.toString();
endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("StringBuilder耗时：" + (endTime - startTime) + "毫秒");

九、正则表达式与字符串

Java String类提供了与正则表达式配合使用的方法：

1. 匹配

String email = "user@example.com";
boolean isEmail = email.matches("[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\\.[a-zA-Z]{2,}");
System.out.println("是否是合法邮箱：" + isEmail);  // true

2. 替换

String text = "我的电话是123-456-7890和987-654-3210";
// 将所有电话号码替换为"***-***-****"
String anonymized = text.replaceAll("\\d{3}-\\d{3}-\\d{4}", "***-***-****");
// 输出：我的电话是***-***-****和***-***-****

3. 分割

// 按照多种分隔符分割字符串
String data = "apple,banana;cherry|grape";
String[] fruits = data.split("[,;|]");  // ["apple", "banana", "cherry", "grape"]

十、实用示例：文本处理应用

我们来看一个简单的短信统计应用，综合使用字符串操作：

public class SMSAnalyzer {
    public static void main(String[] args) {
        String message = "亲爱的用户，您的订单#12345已发货，预计3天内送达。如有问题，请联系客服电话400-123-4567。祝您生活愉快！【某某商城】";
        
        // 1. 基本信息统计
        int length = message.length();
        int charCount = message.replaceAll("\\s", "").length();  // 去除空白后的字符数
        
        // 2. 提取订单号
        String orderPattern = "#(\\d+)";
        java.util.regex.Pattern pattern = java.util.regex.Pattern.compile(orderPattern);
        java.util.regex.Matcher matcher = pattern.matcher(message);
        String orderNumber = matcher.find() ? matcher.group(1) : "未找到订单号";
        
        // 3. 提取联系电话
        String phonePattern = "(\\d{3}-\\d{3}-\\d{4})";
        pattern = java.util.regex.Pattern.compile(phonePattern);
        matcher = pattern.matcher(message);
        String contactPhone = matcher.find() ? matcher.group(1) : "未找到联系电话";
        
        // 4. 匿名化处理
        String anonymizedMessage = message.replaceAll(phonePattern, "***-***-****");
        
        // 5. 分割成句子
        String[] sentences = message.split("[。！？]");
        
        // 6. 检查是否包含特定内容
        boolean isOrderMessage = message.contains("订单");
        boolean isPromotional = message.endsWith("】") && message.contains("【");
        
        // 7. 使用StringBuilder构建报告
        StringBuilder report = new StringBuilder();
        report.append("短信分析报告\n");
        report.append("========================\n");
        report.append(String.format("总字符数: %d\n", length));
        report.append(String.format("实际内容字符数: %d\n", charCount));
        report.append(String.format("订单号: %s\n", orderNumber));
        report.append(String.format("联系电话: %s\n", contactPhone));
        report.append(String.format("是否是订单消息: %b\n", isOrderMessage));
        report.append(String.format("是否是营销短信: %b\n", isPromotional));
        report.append("\n句子分析:\n");
        
        for (int i = 0; i < sentences.length; i++) {
            String sentence = sentences[i].trim();
            if (!sentence.isEmpty()) {
                report.append(String.format("第%d句: %s\n", i+1, sentence));
            }
        }
        
        report.append("\n匿名化后的短信:\n");
        report.append(anonymizedMessage);
        
        System.out.println(report.toString());
    }
}

十一、字符串操作的性能建议

1. 合理使用字符串拼接

   • 少量拼接：可以使用+运算符
   • 大量拼接：使用StringBuilder

2. 减少临时字符串对象

   • 避免在循环中使用+拼接字符串
   • 考虑使用字符数组替代字符串进行频繁操作

3. 正确使用字符串比较

   • 比较内容用equals()，不要用==
   • 大小写不敏感比较用equalsIgnoreCase()

4. 利用字符串池

   • 对于常量字符串，优先使用字面量而不是new

5. 合理使用正则表达式

   • 复杂正则表达式可以预编译，避免重复编译
   • 简单匹配考虑使用indexOf()等方法代替正则

十二、总结

Java中的字符串操作涵盖了从基本的字符获取、子串提取到高级的正则表达式匹配等多种功能。虽然String对象本身是不可变的，但通过各种方法和辅助类，我们可以高效地进行各种文本处理任务。

掌握字符串操作是Java编程的基础技能，几乎所有Java应用都会涉及到文本处理。从用户输入验证到数据分析，从文件处理到网络通信，字符串操作无处不在。

在实际开发中，请记住：

• 合理选择String、StringBuilder或StringBuffer，根据场景优化性能
• 理解String的不可变性及其影响
• 熟练使用正则表达式进行复杂的文本匹配和处理