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StringBulder的底层原理？

在Java中，StringBuilder 是一个可变的字符序列，用于高效地构建字符串。其底层实现基于动态扩容的字符数组，以下是核心原理的详细分析：

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1. 内部存储结构

• 字符数组 char[]（Java 8及之前）
  StringBuilder 内部维护一个字符数组（Java 9+ 改为 byte[] 以支持压缩编码，但逻辑类似）。初始时创建一个默认大小的数组（通常为 16），用于存储字符内容。
• 长度计数器 int count
  记录当前已使用的字符数量（即有效内容的长度）。

// 简化版内部结构（Java 8）
public final class StringBuilder {char[] value; // 存储字符的数组int count;    // 当前已使用的字符数// ...
}

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2. 动态扩容机制

当添加新字符导致数组空间不足时，自动触发扩容：

1. 计算新容量：
   新容量 = (原容量 * 2) + 2
   例如：原数组长度16 → 扩容后为 (16*2)+2=34。
2. 创建新数组：
   分配一个更大的新数组（大小为计算后的新容量）。
3. 复制数据：
   将原数组内容复制到新数组中（System.arraycopy()）。
4. 替换引用：
   内部数组引用指向新数组。

示例：

StringBuilder sb = new StringBuilder(); // 初始容量=16
sb.append("Hello World!"); // 长度12，无需扩容
sb.append(" This is a long string..."); // 总长度超16，触发扩容

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3. 关键操作原理

追加操作 append()

• 直接修改原数组，不创建新对象。
• 检查剩余空间，不足则扩容。
• 将新内容复制到数组尾部，更新 count。

插入操作 insert(int offset, String str)

1. 检查插入位置有效性。
2. 确保容量足够（不足则扩容）。
3. 将插入位置后的字符向后移动。
4. 将新内容复制到空位。
5. 更新 count。

删除操作 delete(int start, int end)

1. 将 end 之后的字符向前移动，覆盖被删除部分。
2. 更新 count。

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4. 性能优势

• 避免 String 的不可变性开销：
  String 每次修改都创建新对象，而 StringBuilder 直接修改数组。
• 减少内存复制：
  扩容策略（翻倍+2）平摊了多次追加的成本，均摊时间复杂度为 O(1)。
• 高效字符串操作：
  在循环中拼接字符串时，性能显著优于 String 的 + 操作。

对比 String 拼接

// 低效：每次循环创建新String对象
String s = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {s += i; // 隐含new StringBuilder()和toString()
}// 高效：全程操作同一数组
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {sb.append(i);
}

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5. 与 StringBuffer 的区别

特性	StringBuilder	StringBuffer
线程安全	❌ 非同步（非线程安全）	✅ 同步方法（线程安全）
性能	⚡️ 更高（无锁开销）	⚠️ 较低（同步开销）
使用场景	单线程环境	多线程环境

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6. Java 9+ 的优化

从 Java 9 开始，底层存储改为 byte[] + 编码标志位：

• Latin-1 编码（1字节/字符）：存储ASCII字符，节省空间。
• UTF-16 编码（2字节/字符）：存储非ASCII字符。
• 根据内容动态选择编码，进一步减少内存占用。

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总结

• 核心机制：动态扩容的字符数组（或字节数组）。
• 关键设计：
  • 扩容策略：容量翻倍 + 2，均摊高效。
  • 直接修改数组，避免创建新对象。
• 适用场景：频繁修改字符串的单线程环境（多线程用 StringBuffer）。

通过动态数组和高效扩容，StringBuilder 在字符串操作中实现了高性能的 O(n) 时间复杂度（n为最终字符串长度）。