Java StringBuilder详解

Java StringBuilder 详解

在 Java 中，StringBuilder 是一个高效的、可变的字符串操作类，用于在需要频繁修改字符串内容的场景下替代不可变的 String。StringBuilder 提供了许多方法来支持字符串的拼接、插入、删除、替换等操作，且无需创建新的对象，提高了性能。

1. 为什么使用 StringBuilder

1.1 String 的局限性

• String 是不可变的：每次对字符串进行修改（如拼接、替换等），都会创建一个新的字符串对象。
• 如果在循环中频繁修改字符串，性能会非常低。

1.2 StringBuilder 的优势

• StringBuilder 是可变的：对字符串的修改直接作用于当前对象，无需创建新对象。
• 性能高：适合在需要频繁拼接或修改字符串内容时使用。

2. StringBuilder 的基本用法

2.1 创建 StringBuilder 对象

1. 无参构造器：

   StringBuilder sb = new StringBuilder();
   

   创建一个初始容量为 16 的空 StringBuilder。

2. 指定初始容量：

   StringBuilder sb = new StringBuilder(50);
   

   创建一个初始容量为 50 的 StringBuilder。

3. 通过字符串初始化：

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   

   创建一个包含 "Hello" 的 StringBuilder，初始容量为 16 + "Hello".length()。

2.2 常用方法

1. append() - 拼接字符串
   将指定数据追加到末尾。

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   sb.append(" World");
   System.out.println(sb); // 输出: Hello World
   

   • 支持多种数据类型：String, char, int, boolean, 等。
   • 方法链调用：sb.append("Hello").append(" World");

2. insert() - 插入字符串
   在指定位置插入内容。

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   sb.insert(5, " World");
   System.out.println(sb); // 输出: Hello World
   

3. delete() - 删除字符
   删除从 start 到 end 索引（不包括 end）的字符。

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World");
   sb.delete(5, 11);
   System.out.println(sb); // 输出: Hello
   

4. deleteCharAt() - 删除指定索引的字符

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   sb.deleteCharAt(4);
   System.out.println(sb); // 输出: Hell
   

5. replace() - 替换字符串
   替换从 start 到 end 索引之间的内容。

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World");
   sb.replace(6, 11, "Java");
   System.out.println(sb); // 输出: Hello Java
   

6. reverse() - 反转字符串

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   sb.reverse();
   System.out.println(sb); // 输出: olleH
   

7. setCharAt() - 修改指定索引的字符

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   sb.setCharAt(0, 'h');
   System.out.println(sb); // 输出: hello
   

8. toString() - 转换为字符串

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   String str = sb.toString();
   System.out.println(str); // 输出: Hello
   

2.3 获取相关信息的方法

1. length() - 获取长度

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   System.out.println(sb.length()); // 输出: 5
   

2. capacity() - 获取容量

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   System.out.println(sb.capacity()); // 输出: 21 (16 + 5)
   

3. charAt() - 获取指定索引的字符

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
   System.out.println(sb.charAt(1)); // 输出: e
   

4. substring() - 截取子字符串

   StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World");
   System.out.println(sb.substring(6)); // 输出: World
   System.out.println(sb.substring(0, 5)); // 输出: Hello
   

3. StringBuilder 和 StringBuffer 的区别

4. 性能对比：String vs StringBuilder

例子：使用 String 拼接

String result = "";
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    result += i; // 每次都会创建新的 String 对象
}
System.out.println(result);

• 问题：每次 + 都会创建一个新的 String，导致大量内存消耗和性能开销。

例子：使用 StringBuilder 拼接

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(i); // 直接操作内部数组，无需创建新对象
}
System.out.println(sb.toString());

• 优势：在内部修改字符串，性能远高于 String。

5. 线程安全性：是否选择 StringBuffer

• 如果在单线程环境，推荐使用 StringBuilder。
• 如果在多线程环境，需要线程安全，则使用 StringBuffer。

6. 扩展：容量与扩容机制

初始容量

• 如果未指定，StringBuilder 默认容量为 16。
• 如果通过字符串初始化，则容量为 16 + 字符串长度。

扩容机制

• 如果追加内容超过当前容量，StringBuilder 会自动扩容。
• 新容量计算公式：
  $$\text{newCapacity}=(\text{oldCapacity}\times 2)+2$$

7. 示例代码：全面操作

public class StringBuilderExample {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");

        // 追加
        sb.append(" World");
        System.out.println(sb); // Hello World

        // 插入
        sb.insert(6, "Java ");
        System.out.println(sb); // Hello Java World

        // 删除
        sb.delete(5, 10);
        System.out.println(sb); // Hello World

        // 替换
        sb.replace(6, 11, "Java");
        System.out.println(sb); // Hello Java

        // 反转
        sb.reverse();
        System.out.println(sb); // avaJ olleH

        // 获取子字符串
        System.out.println(sb.substring(0, 4)); // avaJ

        // 转换为字符串
        String result = sb.toString();
        System.out.println(result); // avaJ olleH
    }
}

总结

StringBuilder 是一个高效的字符串操作类，适合在单线程环境下频繁操作字符串的场景。通过灵活的方法（如 append, insert, delete 等），可以满足大多数字符串修改需求，同时避免了 String 带来的性能瓶颈。对于线程安全需求，可以选择 StringBuffer。