String、StringBuffer与StringBuilder

一、String：不可变性的设计哲学

1. 不可变性的本质

String的不可变性不是简单的限制，而是深度工程决策：

public final class String {
    private final char value[]; // Java 8及之前
    private final byte value[]; // Java 9+的紧凑字符串优化
    private final int hash;     // 缓存哈希值
}

• final类：禁止继承破坏不可变性

• final字符数组：创建后引用不可变

• 无修改方法：所有"修改"操作都返回新对象

2. 内存机制详解

String s1 = "Fly";          // 常量池创建
String s2 = new String("Fly"); // 堆中创建新对象
String s3 = s1.concat("Code"); // 新建String对象

System.out.println(s1 == s2); // false
System.out.println(s1 == s3); // false

• 常量池优化：相同字面量共享内存（通过intern()可手动入池）

• 拼接代价：s1 + s2 编译为 new StringBuilder().append(s1).append(s2).toString()

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二、StringBuffer：线程安全的代价

1. 同步机制实现原理

public final class StringBuffer extends AbstractStringBuilder {
    @Override
    public synchronized StringBuffer append(String str) {
        super.append(str);
        return this;
    }
    
    // 所有public方法均添加synchronized
}

• 方法级锁：每个public方法使用synchronized修饰

• 对象锁：锁定当前StringBuffer实例

2. 扩容算法解析

初始容量16字符，扩容策略：

void expandCapacity(int minimumCapacity) {
    int newCapacity = value.length * 2 + 2; // 2倍+2策略
    if (newCapacity < minimumCapacity) 
        newCapacity = minimumCapacity;
    if (newCapacity < 0) // 溢出处理
        newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
    value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}

• 指数扩容：减少频繁扩容开销

• 空间换时间：预分配额外空间避免频繁复制

3. 线程安全场景

StringBuffer buffer = new StringBuffer();

// 多线程并发追加
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    executor.submit(() -> buffer.append(Thread.currentThread().getName()));
}

executor.shutdown();
executor.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);

// 结果长度正确（无数据丢失）
System.out.println(buffer.length()); // 输出约7000字符

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三、StringBuilder：极致的单线程性能

1. 无锁设计实现

public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder {
    @Override
    public StringBuilder append(String str) {
        super.append(str); // 无同步操作！
        return this;
    }
    // 所有方法无synchronized
}

• 继承相同基类：与StringBuffer共享AbstractStringBuilder

• 方法无同步：消除锁开销

四、三维对比：核心差异全景图

特性维度	String	StringBuffer	StringBuilder
可变性	不可变	可变	可变
线程安全	是（天然）	是（同步锁）	否
性能	最低（对象创建开销）	中（锁开销）	最高（无锁）
内存效率	常量池优化	堆内存分配	堆内存分配
扩容机制	不适用	2倍+2策略	同StringBuffer
JIT优化	常量折叠	锁消除(有限)	无限制优化
使用场景	静态字符串、配置项	多线程日志拼接	单线程字符串操作