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字符串：理解可变性和不变性

Linda Hamilton

Nov 11, 2024 am 03:48 AM

Strings: Understanding Mutability and Immutability

在 Java 中，字符串经常在应用程序之间进行操作、组合和存储，因此了解 immutable 和 mutable 字符串处理之间的区别是对于编写高效的代码至关重要。这篇文章探讨了 Java 字符串中可变性和不可变性的概念，深入探讨了为什么 Java 提供了不同的类，如 String、StringBuilder 和 StringBuffer。

1. Java中字符串的不可变性

在Java中，字符串是不可变的，这意味着一旦创建了String对象，它的值就无法更改。此属性对于多线程环境中的安全性、性能和内存效率而言是有益的。不变性确保：

一致性：字符串一旦被赋值，它就保持不变。
线程安全：多个线程可以安全地使用同一个 String 实例，无需同步。
内存效率：Java有一个内部字符串池来有效地管理String对象。该池存储每个文字字符串的单个副本，并尽可能重用它。

示例：

String greeting = "Hello";
greeting = greeting + " World";  // A new String object is created
System.out.println(greeting);  // Output: Hello World

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在示例中，连接“World”不会修改原始字符串，而是创建一个新字符串。在处理重复修改时，这个过程可能会变得低效，我们接下来会看到。

2. 在可变场景中使用字符串：缺点

虽然 String 的不变性是一个很有价值的特性，但如果在需要频繁修改的情况下使用它可能会导致内存和性能问题。每次更改 String 时，都会创建一个新对象，这会增加内存使用量并增加垃圾收集器的压力。

考虑这个字母串联的例子：

private String alphabetConcat() {
    String series = "";
    for (int i = 0; i < 26; i++) {
        series += (char) ('a' + i);
        System.out.println(series); // Outputs: a ab abc abcd ...
    }
    return series;
}

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说明：

由于 String 的不变性，每次迭代都会创建一个新的 String 对象，因此该代码的运行时间复杂度为 O(n^2)，效率极低。

此外，这种方法会导致内存效率低下，因为每个中间 String 对象都单独存储在堆中。这些未使用的对象会累积并导致垃圾收集开销增加。

3. 可变替代品：StringBuilder 和 StringBuffer

Java 提供了可变替代方案，例如 StringBuilder 和 StringBuffer 来处理字符串频繁修改的情况。

使用 StringBuilder 实现高效的可变性

StringBuilder 是一个可变类，这意味着它允许就地修改字符串。这通过避免创建中间对象来提高性能，使其成为涉及大量字符串操作的场景的理想选择。这是我们之前示例中的工作原理：

String greeting = "Hello";
greeting = greeting + " World";  // A new String object is created
System.out.println(greeting);  // Output: Hello World

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这里，StringBuilder 在整个循环中修改同一个对象，导致时间复杂度为 O(n)，使其效率远高于 String。

需要记住的要点

字符串不可变并由字符串池支持以实现内存优化。
StringBuilder 和 StringBuffer 是可变的。 StringBuilder 速度更快，但不是线程安全，而 StringBuffer 是同步且线程安全。
在单线程场景中使用StringBuilder且需要频繁修改。
当需要不变性或期望最小修改时使用字符串。