String和StringBuilder区别全解析

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答案是StringBuffer线程安全但性能较低，StringBuilder非线程安全但性能更高。前者适用于多线程环境，后者适合单线程场景。

Java中StringBuffer和StringBuilder的核心区别，简单来说，在于它们的线程安全性以及由此带来的性能表现。StringBuffer是线程安全的，适用于多线程环境，但因此会带来一定的性能开销；而StringBuilder则非线程安全，在单线程环境下性能更优。

解决方案

当我们处理字符串拼接或修改操作时，Java提供了多种选择。在String对象不可变这一特性下，频繁的字符串操作会创建大量临时对象，导致性能下降。StringBuffer和StringBuilder应运而生，它们都提供了可变的字符序列，从而避免了这种开销。

它们都继承自AbstractStringBuilder，这意味着它们在底层操作字符数组的逻辑上是高度相似的。真正的分水岭在于StringBuffer的每一个公共方法，比如append(), insert(), delete()等，都使用了synchronized关键字进行修饰。这意味着在任何时刻，只有一个线程能够访问StringBuffer的这些方法，从而保证了其在多线程环境下的数据一致性。这种同步机制虽然确保了安全性，但也引入了锁的开销，降低了执行效率。

相比之下，StringBuilder则没有这些synchronized修饰。它的方法是不同步的，因此在多线程环境下，多个线程同时尝试修改同一个StringBuilder实例时，就可能出现数据错乱、不一致的情况。但正是因为没有了同步锁的负担，StringBuilder在单线程环境下的执行速度要显著快于StringBuffer。

因此，选择哪一个，往往是安全与性能之间的一个权衡。

在哪些场景下我们应该优先选择StringBuffer而非StringBuilder？

这其实是个很实际的问题，我个人在日常开发中，除非有明确的多线程需求，否则基本上都是StringBuilder的拥趸。但“明确的多线程需求”这个点，是不能含糊的。如果你正在开发一个并发系统，比如一个服务器端应用，多个客户端请求可能会同时修改一个共享的字符串缓冲区（尽管这种情况在设计上应该尽量避免，但总有例外），那么StringBuffer的线程安全性就成了不可或缺的保障。

想象一下，一个日志系统，多个线程都往一个StringBuffer实例中写入日志信息。如果用StringBuilder，很可能出现日志条目交错、不完整，甚至抛出ArrayIndexOutOfBoundsException等不可预测的错误。StringBuffer通过内部的锁机制，确保了每次只有一个线程能够修改其内部的字符数组，从而保证了操作的原子性和可见性。这种场景下，即使性能略有牺牲，数据正确性才是首要的。当然，如果能通过其他并发工具（如ConcurrentLinkedQueue配合String）来更优雅地解决并发写入问题，那又是另一回事了。但如果非要在一个可变字符序列上进行多线程操作，StringBuffer就是你的安全网。

单线程应用中坚持使用StringBuffer会有哪些性能开销？

即便是在一个纯粹的单线程应用中，StringBuffer的同步机制依然会带来不必要的性能损耗。这就像你一个人在家，却把所有门都上了锁一样，虽然安全，但每次进出房间都得多一道开锁、关锁的步骤。

具体来说，synchronized关键字会触发JVM的内部锁机制。每次调用StringBuffer的append()、insert()等方法时，JVM都需要执行一系列操作：

1. 获取监视器锁（Monitor Lock）：这涉及到CPU指令，检查锁的状态，如果锁被占用，线程可能需要等待。
2. 内存屏障（Memory Barriers）：为了保证可见性，同步操作会引入内存屏障，这会阻止编译器和CPU对指令进行重排序，并确保对共享变量的修改对其他线程可见（即使在单线程环境下，这些操作也并非完全免费，只是效果不明显）。
3. 释放监视器锁：操作完成后，释放锁，以便其他（理论上不存在的）线程可以获取。

这些操作虽然单个开销很小，但在字符串拼接操作频繁、循环次数多的场景下，累积起来的开销就会变得相当可观。我曾经做过一些简单的性能测试，在百万次甚至千万次的字符串拼接循环中，StringBuilder的执行时间通常比StringBuffer快几倍甚至十几倍。在追求极致性能的场景，比如高性能计算、游戏开发或者处理海量数据的后端服务中，这种差异是绝对不能忽视的。所以，在确定是单线程环境时，选择StringBuilder是一种非常明智的优化。

从Java内存模型和底层实现角度看，二者为何会有性能差异？

要深入理解性能差异，我们需要稍微触及Java内存模型（JMM）和synchronized的底层实现。

StringBuffer的性能开销，直接来源于synchronized关键字。在JMM中，synchronized不仅保证了原子性（同一时刻只有一个线程执行代码块），更重要的是它保证了可见性和有序性。当一个线程进入synchronized代码块时，它会刷新工作内存，从主内存中读取最新的共享变量值；当它退出synchronized代码块时，它会将工作内存中的修改写回主内存。这些“刷新”和“写回”操作，就是通过内存屏障来实现的。

内存屏障是一种CPU指令，它会强制CPU在执行特定操作之前或之后，完成一些内存操作。这会阻止CPU和编译器对指令进行重排序，确保了操作的顺序性，但代价是会增加CPU的执行周期，因为它限制了CPU的优化能力。

StringBuffer的每个关键方法都带synchronized，意味着每次调用这些方法，都会触发一次锁的获取与释放，以及潜在的内存屏障操作。这些操作在多核处理器上尤其明显，因为它们需要协调不同核心的缓存一致性。

而StringBuilder则完全跳过了这些步骤。它的方法没有synchronized修饰，这意味着JVM不会为它生成任何锁相关的字节码指令，也不会插入内存屏障。因此，CPU可以自由地对StringBuilder的操作进行重排序和缓存优化，从而以最快的速度执行。它直接操作内部的字符数组，没有任何额外的同步负担。

所以，从底层来看，StringBuffer的性能开销并非因为它做了什么“额外”的计算，而是因为它在每次操作时都必须遵守JMM的同步规则，付出协调多线程访问的代价。StringBuilder则因为没有这些限制，得以发挥出更接近硬件的原始性能。这并非StringBuffer设计上的缺陷，而是它作为线程安全组件所必须付出的代价。

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