【Java源码阅读系列5】深度解析StringBuilder与StringBuffer源码

在Java中处理字符串拼接时，StringBuilder与StringBuffer是最常用的工具类。它们的核心作用都是可变字符序列的高效操作，但二者的设计定位却有本质差异。本文将从源码层面深入解析两者的实现逻辑，并总结其适用场景。

一、类继承关系与核心设计

1.1 共同父类：AbstractStringBuilder

StringBuilder与StringBuffer均继承自抽象类AbstractStringBuilder（JDK 1.5引入）。这个父类封装了字符串操作的核心逻辑，包括：

• 字符存储容器：使用char[] value数组存储字符（非final，支持扩容）。
• 当前长度：int count字段记录实际字符数量（区别于数组容量）。
• 核心操作方法：append、insert、delete、reverse等方法的具体实现。

通过继承AbstractStringBuilder，两个子类只需关注线程安全机制的差异化实现，避免了重复代码。

1.2 类定义差异

• StringBuffer：public final class StringBuffer extends AbstractStringBuilder implements Serializable, CharSequence
  被final修饰（不可被继承），且所有公开方法均被synchronized修饰（线程安全）。
• StringBuilder：public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements Serializable, CharSequence
  同样被final修饰，但方法无synchronized修饰（线程不安全）。

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二、核心能力：动态扩容与字符操作

2.1 初始化与容量管理

两者的构造函数逻辑高度一致（以StringBuffer为例，StringBuilder类似）：

// 默认构造：初始容量16
public StringBuffer() {
    super(16);
}

// 指定容量构造
public StringBuffer(int capacity) {
    super(capacity);
}

// 基于字符串构造：初始容量为"字符串长度+16"
public StringBuffer(String str) {
    super(str.length() + 16);
    append(str); // 直接调用父类append方法
}

• 关键设计：初始容量选择16是为了平衡内存占用与扩容频率。若已知最终字符串长度，建议通过new StringBuffer(int capacity)指定初始容量，避免频繁扩容。

2.2 扩容机制：如何动态扩展容量？

当字符操作（如append）导致count超过value.length时，会触发扩容逻辑。核心方法是AbstractStringBuilder的ensureCapacityInternal(int minimumCapacity)：

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    // 如果最小需要容量 > 当前数组长度，则扩容
    if (minimumCapacity - value.length > 0) {
        value = Arrays.copyOf(value, newCapacity(minimumCapacity));
    }
}

private int newCapacity(int minCapacity) {
    // 扩容策略：原容量*2 + 2（兼容旧版本逻辑）
    int newCapacity = (value.length << 1) + 2;
    if (newCapacity - minCapacity < 0) {
        newCapacity = minCapacity; // 若扩容后仍不足，直接使用最小需要容量
    }
    return (newCapacity <= 0 || MAX_ARRAY_SIZE - newCapacity < 0) 
        ? hugeCapacity(minCapacity) // 处理超大容量（超过Integer.MAX_VALUE-8）
        : newCapacity;
}

• 扩容特点：
  • 常规扩容为原容量的2倍加2（例如原容量16→34），避免小容量时频繁扩容。
  • 若用户传入的minimumCapacity超过扩容后的值（如初始容量16，直接append一个长度100的字符串），则直接使用minimumCapacity。
  • 超大容量场景通过hugeCapacity处理，最终容量不超过Integer.MAX_VALUE（避免内存溢出）。

2.3 核心操作：append方法

append是最常用的方法，用于拼接任意类型数据。以StringBuffer的append(String str)为例：

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null; // 修改前清除缓存
    super.append(str);    // 调用父类实现（实际操作char数组）
    return this;
}

StringBuilder的对应方法则无synchronized修饰：

@Override
public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

• 关键逻辑：
  • 无论参数类型（Object、char[]、int等），最终都会转换为字符串并追加到value数组。
  • toStringCache是StringBuffer的缓存字段（transient char[]），用于缓存最后一次toString()的结果。当append、insert等修改操作发生时，toStringCache会被置为null，确保下次toString()返回最新数据。

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三、线程安全：synchronized的得与失

3.1 StringBuffer的同步机制

StringBuffer的所有公开方法（如append、insert、delete、reverse、toString）均被synchronized修饰，确保多线程环境下操作的原子性。例如：

@Override
public synchronized int length() {
    return count;
}

@Override
public synchronized char charAt(int index) {
    if ((index < 0) || (index >= count))
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
    return value[index];
}

• 同步范围：锁对象是StringBuffer实例本身（this），因此多线程操作同一实例时，所有方法调用会串行执行。

3.2 StringBuilder的无锁设计

StringBuilder的方法完全继承自AbstractStringBuilder，未做任何同步处理。例如其append方法直接调用父类实现：

@Override
public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str); // 父类方法无同步
    return this;
}

• 性能优势：无锁意味着单线程环境下无竞争开销，性能显著高于StringBuffer（JDK官方测试显示，单线程append操作StringBuilder比StringBuffer快约10%-20%）。

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四、典型场景与最佳实践

4.1 选择StringBuffer的场景

• 多线程共享字符串操作：如多个线程共同拼接一个日志字符串（需保证最终结果的完整性）。
• 遗留代码兼容性：在JDK 1.5之前（StringBuilder未引入），StringBuffer是唯一选择。

4.2 选择StringBuilder的场景

• 单线程字符串拼接：如循环中拼接SQL语句、JSON字符串等（最常见场景）。
• 性能敏感的代码块：例如高频调用的工具方法，无锁设计可减少上下文切换开销。

4.3 避坑指南

• 避免在循环中使用String拼接：String是不可变类，每次拼接会生成新对象（如str = str + "a"），导致大量内存浪费。
• 优先指定初始容量：若已知最终字符串长度（如拼接1000个字符），通过new StringBuilder(1000)初始化可减少扩容次数。
• 多线程下慎用StringBuilder：若多个线程同时调用append，可能导致count字段或value数组的不一致（如数据覆盖）。

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总结

特性	StringBuffer	StringBuilder
线程安全	是（方法final synchronized）	否（无同步）
性能（单线程）	较低（同步开销）	较高（无锁）
适用场景	多线程共享字符串操作	单线程字符串拼接（90%以上场景）
初始化容量默认值	16	16
JDK引入版本	1.0	1.5

通过源码分析可见，StringBuilder与StringBuffer的核心差异仅在于线程安全机制。在实际开发中，应根据线程环境选择：单线程用StringBuilder（性能优先），多线程用StringBuffer（安全优先）。理解其底层的字符数组操作与扩容逻辑，能帮助我们更高效地使用这两个工具类。