Java中StringBuilder原理以及使用
一、StringBuilder特点
StringBuilder是一个可变的字符序列，是String在需要频繁修改字符串时的高效替代品。它的底层基于一个可变的字符数组，其核心优势在于避免了String类不可变性带来的大量临时对象和拷贝开销。它不是线程安全的，但因此获得了更好的性能。
二、底层原理
继承体系：
java.lang.Object↳ java.lang.AbstractStringBuilder↳ java.lang.StringBuilder真正的核心实现（如字符数组和扩容逻辑）都在
AbstractStringBuilder中，StringBuilder和StringBuffer都继承自它。核心结构：
一个
char[] value;数组，用于存储字符。这就是字符串内容的实际容器。一个
int count;计数器，记录数组中已被使用的字符数量（即当前字符串的length()），而不是数组的总容量。
// 摘自 AbstractStringBuilder 类（简化版） abstract class AbstractStringBuilder {// 存储字符的数组，StringBuilder 可变性的根源char[] value;// 已使用的字符数 (count <= value.length)int count;// ... 其他方法 }
三、扩容机制
详细步骤说明：
检查容量： 每当执行
append(),insert()等可能增加长度的操作时，都会先检查当前字符数组的剩余空间是否够用。if (newCount > value.length) expandCapacity(newCount); // 不够就扩容计算新容量： 新容量的计算遵循一个“加倍 + 2” 的启发式算法：
int newCapacity = (value.length * 2) + 2; // 核心算法：旧容量*2 + 2 if (newCapacity < minCapacity) { // 如果 (旧容量*2+2) 还不够newCapacity = minCapacity; // 就直接使用所需的最小容量 } if (newCapacity < 0) { // 处理溢出throw new OutOfMemoryError(); }**为什么是 *2 + 2？** 这是一种空间换时间的权衡。加倍扩容意味着摊销时间复杂度接近O(1)。虽然单次扩容成本是O(n)，但多次操作的平均成本很低。
+2是为了防止初始容量为0时计算错误。
数组拷贝： 使用
Arrays.copyOf(value, newCapacity)或System.arraycopy创建一个新的、更大的数组，并将旧数组的数据拷贝过去。这是扩容过程中最耗时的一步。
e.g.：
假设初始StringBuilder容量为16（默认）。
追加一个长度为10的字符串：容量足够，不扩容。
追加第17个字符：所需最小容量为17。
计算新容量：
(16 * 2) + 2 = 34因为
34 > 17，所以新数组容量为34。
如果一次性追加一个长度为100的字符串，
(16*2)+2=34仍小于16+100=116，则新容量直接为116。
四、使用方法
StringBuilder的API设计遵循流畅接口（Fluent Interface） 风格，大部分方法都返回this，便于链式调用。
构造方法：
StringBuilder sb1 = new StringBuilder(); // 默认容量16 StringBuilder sb2 = new StringBuilder(50); // 指定初始容量，避免频繁扩容 StringBuilder sb3 = new StringBuilder("Hello"); // 内容初始化为"Hello"，容量为16 + 字符串长度核心方法：
// 追加（最常用） sb.append("World"); sb.append(100).append(3.14).append('A'); // 链式调用// 插入 sb.insert(5, " "); // 在索引5的位置插入字符串// 删除 sb.delete(5, 11); // 删除从5到10的字符 sb.deleteCharAt(0); // 删除第一个字符// 替换 sb.replace(0, 5, "Hi"); // 将0到4的字符替换为"Hi"// 反转 sb.reverse(); // 反转字符序列// 其他 int length = sb.length(); // 获取长度 int capacity = sb.capacity(); // 获取当前容量 sb.setLength(0); // 清空内容（逻辑清空，count=0，但底层数组不变，可重用） sb.trimToSize(); // 尝试将容量调整到与实际长度相等，释放多余空间 String result = sb.toString(); // 转换为不可变的String对象
五、StringBuilder vs StringBuffer
| 特性 | StringBuilder | StringBuffer |
|---|---|---|
| 线程安全 | 否 | 是（关键方法有synchronized修饰） |
| 性能 | 高（无同步开销） | 较低（有同步开销） |
| 使用场景 | 绝大多数场景，单线程环境下 | 多线程共享环境下（现在很少见） |
结论：除非你明确需要在多线程环境下共享和修改同一个字符串，否则永远优先使用StringBuilder。
六、常见问题总结
Q：“请你讲讲StringBuilder的底层原理和扩容机制。”
A：
“StringBuilder的底层是一个可变的字符数组char[] value和一个记录已用字符数的计数器int count。它的可变性就来自于直接修改这个数组，而不是像String那样创建新对象。
它的高效性主要体现在扩容机制上。当现有数组容量不足时，它会创建一个新的更大数组。新容量的计算规则是取(旧容量 * 2 + 2)和实际所需最小容量中的较大值。这种‘加倍’的启发式算法旨在以空间换时间，将多次追加操作的平均时间复杂度摊销到接近O(1)。最后通过Arrays.copyOf进行数据拷贝，这是扩容的主要开销。
在实际使用中，如果能预估最终字符串的大致长度，最好使用new StringBuilder(int capacity)指定初始容量，这样可以完全避免扩容带来的性能和内存开销。它和StringBuffer功能几乎一样，但因为它没有用synchronized做线程同步，所以在单线程环境下性能更高，是现在首选的字符串拼接工具。”