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StringBuilder类的数据结构和扩容方式解读

news 2025/9/9 7:53:04

目录

StringBuilder是什么

核心特性：

StringBuilder数据结构

1. 核心存储结构（基于父类 AbstractStringBuilder）

2. 类定义与继承关系

3. 数据结构的核心特点

StringBuilder数据结构的初始化方式

1. 无参构造：默认初始容量为 16

2. 指定初始容量：自定义数组大小

3. 基于已有字符串初始化：容量 = 字符串长度 + 16

初始化的核心逻辑

在append()追加时，如果容量不足，如何扩容

1. 计算所需的最小容量

2. 判断是否需要扩容

3. 确定新的容量

4. 创建新数组并复制数据

5. 更新相关属性

源码解析如下：



深入理解 String 类的不可变性及其内部数据结构_Java字符串拼接性能优化-CSDN博客

小编在这篇博客中讲过，当我们对一个String对象进行修改（如拼接、替换等）时，原对象的内容不会被改变，JVM 会创建一个全新的String对象来存储修改后的结果，并将变量引用指向新对象。

String类型的不可变保障线程安全，优化哈希性能，支持常量池复用以及确保数据安全，但在需要频繁修改字符串的场景中（例如循环拼接大量数据），会产生大量临时对象，不仅占用额外内存，还会增加垃圾回收的负担，导致性能显著下降。而StringBuilder的出现弥补了String类这一缺点，今天，我们就来深入解读StringBuilder类的数据结构与扩容方式，看看它是如何高效应对字符串的动态变化的。

StringBuilder是什么

StringBuilder 是 Java 中用于处理可变字符序列的类，主要用于高效地进行字符串的动态构建和修改，是为解决 String 类在频繁字符串操作时的性能问题而设计的。

核心特性：

  1. 可变性
    这是 StringBuilder 最核心的特性。与 String 的不可变性不同，StringBuilder 的内部字符序列可以直接修改（如拼接、插入、删除等），所有操作都在原有对象上进行，不会像 String 那样每次修改都创建新对象，从而大幅减少内存消耗和垃圾回收压力。

  2. 高效的字符串操作
    提供了丰富的操作方法，如 append()（追加任意类型数据）、insert()（指定位置插入）、delete()（删除区间字符）、replace()（替换字符）等，这些方法均针对性能优化设计，执行效率远高于 String 的同类操作（尤其在循环拼接等场景中）。

  3. 非线程安全
    StringBuilder 的方法没有添加 synchronized 同步锁，因此在多线程环境下并发修改可能导致数据不一致。但这也使其在单线程场景中性能优于线程安全的 StringBuffer（避免了同步带来的开销）。

  4. 动态扩容机制
    内部基于字符数组（Java 9 后优化为字节数组，根据字符编码动态调整存储方式）存储数据，初始容量可自定义（默认 16）。当追加内容导致容量不足时，会自动扩容（通常为原容量的 2 倍加 2），并复制原有数据到新数组，平衡了内存占用和操作效率。

  5. 与 String 的便捷转换
    可通过 toString() 方法快速转换为 String 对象，满足需要 String 类型参数的场景，转换过程会创建新的 String 对象，但仅执行一次，性能开销可控。

// 创建对象
StringBuilder sb = new StringBuilder();// 追加内容
sb.append("Hello");
sb.append(" ");
sb.append("World");// 插入内容
sb.insert(5, ","); // 在索引5处插入逗号// 转换为String
String result = sb.toString(); // 结果："Hello, World"

StringBuilder数据结构

1. 核心存储结构（基于父类 AbstractStringBuilder）

StringBuilder 本身不直接定义存储结构，而是继承自抽象类 AbstractStringBuilder，核心数据存储由父类维护，主要包含两个关键成员变量：

  • 存储字符的数组：

    • Java 8 及之前：使用 char[] value 数组，每个字符固定占用 2 个字节（UTF-16 编码），直接存储字符序列。
    • Java 9 及之后：优化为 byte[] value 数组，根据字符类型动态选择编码：
      • 若字符为 ASCII 或 Latin-1 范围内（单字节可表示），则用 1 字节存储，节省内存；
      • 若包含多字节字符（如中文、日文），则用 2 字节存储（UTF-16 编码）。

  • 字符长度计数器：int count，记录当前存储的有效字符数量（而非数组容量）。

2. 类定义与继承关系

StringBuilder 的类定义简化如下（省略部分接口实现）：

// 继承 AbstractStringBuilder，实现字符序列和可追加接口
public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements CharSequence, Appendable {// 构造方法（调用父类构造）public StringBuilder() {super(16); // 默认初始容量 16}public StringBuilder(int capacity) {super(capacity); // 指定初始容量}public StringBuilder(String str) {super(str.length() + 16); // 初始容量 = 字符串长度 + 16append(str);}// 其他方法（如 append、insert 等，实际调用父类方法）
}// 父类 AbstractStringBuilder 的核心定义
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {// Java 9+ 用 byte[]，Java 8 及之前用 char[]byte[] value; int count; // 有效字符数// 父类构造方法（初始化数组容量）AbstractStringBuilder(int capacity) {if (capacity < 0)throw new NegativeArraySizeException();value = new byte[capacity]; // 初始化数组}
}

3. 数据结构的核心特点

  • 数组存储：通过连续的数组结构存储字符，支持快速随机访问（如通过索引获取字符）。
  • 容量与长度分离：value 数组的长度是「容量」（可容纳的最大字符数），count 是「实际长度」（已存储的字符数），容量 ≥ 长度。
  • 动态适配：Java 9+ 的 byte[] 优化减少了单字节字符的内存占用，平衡了存储效率和兼容性。

StringBuilder数据结构的初始化方式

StringBuilder 内部数据结构（字符数组）的初始化方式由其构造方法决定，主要通过以下 3 种方式指定初始容量，以适配不同场景的字符串操作需求：

1. 无参构造：默认初始容量为 16

当使用无参构造方法 new StringBuilder() 时，会调用父类 AbstractStringBuilder 的构造方法，初始化一个容量为 16 的字符数组（Java 8 及之前为 char[]，Java 9+ 为 byte[]）。

StringBuilder sb = new StringBuilder(); 
// 内部数组初始容量为 16，可直接存储 16 个字符（或更多，取决于编码）

2. 指定初始容量：自定义数组大小

如果已知字符串的大致长度，可通过 new StringBuilder(int capacity) 手动指定初始容量，避免后续频繁扩容。父类会根据传入的 capacity 初始化对应大小的数组。

StringBuilder sb = new StringBuilder(100); 
// 内部数组初始容量为 100，适合预计存储约 100 个字符的场景

3. 基于已有字符串初始化：容量 = 字符串长度 + 16

当传入一个 String 对象作为参数（new StringBuilder(String str)）时，初始容量会设为「字符串长度 + 16」，既容纳原有字符串，又预留 16 个字符的空间供后续追加。同时会将传入的字符串内容复制到内部数组中。

String str = "hello"; // 长度为 5
StringBuilder sb = new StringBuilder(str); 
// 内部数组初始容量 = 5 + 16 = 21，且已存储 "hello" 这 5 个字符

初始化的核心逻辑

无论哪种方式，最终都是通过父类 AbstractStringBuilder 的构造方法完成数组初始化：

// 父类 AbstractStringBuilder 的构造方法（简化）
AbstractStringBuilder(int capacity) {if (capacity < 0) {throw new NegativeArraySizeException();}// 初始化数组（Java 8 为 char[]，Java 9+ 为 byte[]）value = new byte[capacity]; // 以 Java 9+ 为例
}

通过合理选择初始化方式（尤其是指定初始容量），可以减少后续 append() 操作时的扩容次数，进一步提升 StringBuilder 的性能。这种结构设计使得 StringBuilder 既能直接修改原有数据（实现可变性），又能通过数组的连续内存特性保证操作效率，是其高性能的核心基础。

在append()追加时，如果容量不足，如何扩容

当使用 StringBuilder 的 append() 方法追加字符或字符串时，如果当前内部字符数组的剩余容量不足以容纳新的数据，就会触发扩容操作。StringBuilder 扩容的具体流程如下（以 Java 8 及之后版本为例，Java 9 后对存储方式有优化，但扩容逻辑主体一致 ）：

1. 计算所需的最小容量

在追加数据之前，StringBuilder 会先计算追加新数据后总共需要的字符数量，将其记为 minCapacity 。这个值是在原有有效字符数量（由 count 变量记录）的基础上，加上即将追加的数据的字符长度。

2. 判断是否需要扩容

将计算得到的 minCapacity 与当前字符数组（value）的容量（即 value.length ）进行比较。如果 minCapacity 大于当前数组的容量，就意味着当前数组无法容纳新追加的数据，此时需要进行扩容操作。

3. 确定新的容量

StringBuilder 采用一种简单的扩容策略来确定新的数组容量，具体的计算方式是将当前容量乘以 2 再加 2 ，即

newCapacity = oldCapacity * 2 + 2

例如，如果当前数组的容量 oldCapacity 为 16，那么扩容后的新容量 newCapacity 就是 16 * 2 + 2 = 34 。

不过，如果通过上述计算得到的 newCapacity 仍然小于 minCapacity ，则会直接将 newCapacity 设置为 minCapacity ，以确保新数组能够容纳追加后的数据。

4. 创建新数组并复制数据

确定了新的容量 newCapacity 后，StringBuilder 会创建一个新的字符数组（char[] ），其长度为 newCapacity 。然后，通过系统调用（System.arraycopy() ）将原数组中的数据复制到新数组中。这一步保证了原有的字符序列不会丢失，并且新数组有足够的空间来存储即将追加的数据。

5. 更新相关属性

复制完成后，StringBuilder 会将内部用于存储字符的数组引用（value ）指向新创建的数组，同时更新其他可能相关的属性（例如在一些优化的实现中，可能会涉及到对编码标识等属性的调整 ），使得后续的追加操作可以在新的、更大容量的数组上进行。

源码解析如下：

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {// 追加字符的方法public AbstractStringBuilder append(char c) {ensureCapacityInternal(count + 1);putChar(count++, c);return this;}// 追加字符串的方法public AbstractStringBuilder append(String str) {if (str == null)return appendNull();int len = str.length();ensureCapacityInternal(count + len);str.getBytes(coder, 0, len, value, count);count += len;return this;}// 确保内部容量足够的方法private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {// overflow-conscious codeif (minimumCapacity - value.length > 0)expandCapacity(minimumCapacity);}// 执行扩容的方法void expandCapacity(int minimumCapacity) {int newCapacity = value.length * 2 + 2;if (newCapacity - minimumCapacity < 0)newCapacity = minimumCapacity;if (newCapacity < 0) {if (minimumCapacity < 0) // overflowthrow new OutOfMemoryError();newCapacity = Integer.MAX_VALUE;}value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);}
}
  • append(char c) 和 append(String str) 方法在追加数据前，都会先调用 ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) 方法，计算追加数据后所需的最小容量minimumCapacity，并判断当前数组容量是否足够。
  • 如果当前容量不足，ensureCapacityInternal 方法会调用 expandCapacity(int minimumCapacity) 进行扩容。expandCapacity 方法先按照 newCapacity = oldCapacity * 2 + 2 的规则计算新容量newCapacity，如果计算出的新容量小于minimumCapacity，则将newCapacity设置为minimumCapacity 。同时，还会处理新容量溢出的情况，若溢出且minimumCapacity小于 0，抛出OutOfMemoryError，否则将newCapacity设置为Integer.MAX_VALUE 。最后通过Arrays.copyOf方法将原数组数据复制到新的、更大容量的数组中，完成扩容。

通过以上步骤，StringBuilder 实现了在容量不足时的自动扩容，从而保证了在频繁追加数据的情况下，仍然能够高效地进行字符串操作。

StringBuilder凭借其可变的字符序列设计、灵活的初始化方式以及智能的扩容机制，完美解决了String在频繁字符串操作时的性能瓶颈。从数据结构到扩容逻辑，每一处都为高效处理动态字符串而生，是 Java 中构建复杂字符串、提升程序性能的得力工具，尤其在大量字符串拼接等场景下，能显著优化内存使用与执行效率。

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