C# StringBuilder源码分析

在 .NET 中，StringBuilder 是一个用于高效构建字符串的重要类。它通过避免频繁创建新字符串对象，从而优化了性能。但其背后的实现机制却并不简单。

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一、核心字段与属性解析

StringBuilder 内部使用了字符数组（char[]）来存储字符串数据，并通过链表的方式管理多个“块”（Chunk），以提升拼接效率。

主要字段：

internal char[] m_ChunkChars;         // 当前块的字符数组
internal int m_ChunkLength;          // 当前块中已使用的字符数
internal int m_ChunkOffset;          // 当前块在整个字符串中的起始位置
internal int m_MaxCapacity;          // 最大容量，默认为 int.MaxValue
internal const int DefaultCapacity = 16;  // 默认初始容量
internal const int MaxChunkSize = 8000;   // 单个 Chunk 的最大长度

Length 属性：

public int Length
{get => m_ChunkOffset + m_ChunkLength;
}

表示当前整个字符串的总长度。

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二、构造函数分析

1. 默认构造函数：

public StringBuilder()
{m_MaxCapacity = int.MaxValue;m_ChunkChars = new char[DefaultCapacity]; // 初始大小为16
}

默认分配一个长度为 16 的字符数组。

2. 带字符串参数的构造函数：

public StringBuilder(string value, int startIndex, int length, int capacity)
{...m_ChunkChars = GC.AllocateUninitializedArray<char>(capacity);...
}

根据传入字符串的长度和指定容量，选择较大的值作为初始容量，避免多次扩容。

3. 复制构造函数（用于链表节点创建）：

private StringBuilder(StringBuilder from)
{m_ChunkLength = from.m_ChunkLength;m_ChunkOffset = from.m_ChunkOffset;m_ChunkChars = from.m_ChunkChars;m_ChunkPrevious = from.m_ChunkPrevious;...
}

这个构造函数用于创建新的 Chunk 节点，是链表结构的关键。

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三、Append 方法的工作原理

以 Append(char value, int repeatCount) 为例来看 StringBuilder 如何处理追加操作：

public StringBuilder Append(char value, int repeatCount)
{//省略边界检查代码int index = m_ChunkLength;while (repeatCount > 0){if (index < m_ChunkChars.Length){m_ChunkChars[index++] = value;--repeatCount;}else{m_ChunkLength = index;ExpandByABlock(repeatCount); // 扩容并创建新 ChunkDebug.Assert(m_ChunkLength == 0);index = 0;}}m_ChunkLength = index;return this;
}

核心逻辑：

• 如果当前字符数组还有空间，则直接插入字符。
• 如果空间不足，调用 ExpandByABlock() 创建新 Chunk，并将其链接到当前 Chunk 的前面。

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四、ExpandByABlock 方法详解

该方法负责创建新的 Chunk 并更新当前 Chunk 的状态：

private void ExpandByABlock(int minBlockCharCount)
{int newBlockLength = Math.Max(minBlockCharCount, Math.Min(Length, MaxChunkSize));char[] chunkChars = GC.AllocateUninitializedArray<char>(newBlockLength);m_ChunkPrevious = new StringBuilder(this); // 创建前驱节点m_ChunkOffset += m_ChunkLength;m_ChunkLength = 0;m_ChunkChars = chunkChars;
}

关键步骤：

1. 计算新 Chunk 的大小：不超过 MaxChunkSize（默认 8000），也不小于所需字符数。
2. 分配新内存。
3. 创建前驱节点：将当前 Chunk 封装成一个新的 StringBuilder 实例，并赋值给 m_ChunkPrevious。
4. 更新偏移量和长度：当前 Chunk 清空，准备写入新数据。
5. 切换字符数组：将新分配的数组设为当前 Chunk 使用。

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五、为什么使用逆向链表？

每个 StringBuilder 对象维护一个指向“前一个节点”的引用 (m_ChunkPrevious)，而不是常见的“后一个节点”。

这样做的好处：

• 尾部追加操作更高效：由于用户总是从最后一个 Chunk 添加数据，采用“逆向链表”可以快速定位到最后一个节点，无需遍历整个链表。
• 时间复杂度为 O(1)：每次添加新 Chunk 都是在当前节点的基础上创建前驱节点，无需查找最后一个节点。

相比之下，如果使用正向链表（每个节点保存下一个节点引用），则每次添加都需要遍历到末尾，时间复杂度为 O(n)，性能下降明显。

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六、链表结构带来的代价

虽然链表提升了追加效率，但也带来了一些缺点：

• 无法随机访问：不能像数组一样直接通过索引访问某个字符。
• 读取效率较低：若需要从中间或开头插入数据，需遍历整个链表，效率不如单一数组。

因此，StringBuilder 更适合尾部拼接的场景，而不适合频繁的随机修改。

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七、总结：StringBuilder 的设计哲学

特性	实现方式
字符存储	使用字符数组（char[]）
动态扩容	通过链表结构连接多个 Chunk
高效追加	使用逆向链表，保持 O(1) 时间复杂度
性能瓶颈	不支持随机访问，不适合频繁插入/修改

使用建议：

• 优先使用构造函数初始化较大容量：减少扩容次数。
• 避免频繁中间插入操作：这类操作会导致性能下降。
• 适用于大量字符串拼接场景：如日志记录、HTML 构建等。

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