Java 實現字符串指定區間反轉：多種方案與性能對比

問題定義

給定字符串 str、起始索引 start (含)、結束索引 end (含)，將該區間內字符順序反轉，其餘部分保持不變。
示例："mmabcdefnn", start=2, end=7 → "mmfedcban n" (區間 "abcdef" → "fedcba")。

方案一：StringBuilder 切片重組 (推薦，標準庫)

public static String reverseSubstring(String str, int start, int end) {
    if (str == null || start < 0 || end >= str.length() || start > end) {
        throw new IllegalArgumentException("參數非法");
    }
    StringBuilder sb = new StringBuilder(str.length());
    // 1. 前綴
    sb.append(str, 0, start);
    // 2. 反轉中間段
    sb.append(new StringBuilder(str.substring(start, end + 1)).reverse());
    // 3. 後綴
    sb.append(str, end + 1, str.length());
    return sb.toString();
}

優點：代碼簡潔、可讀性強、JDK 內部優化、無額外依賴。
缺點：創建 2-3 個中間對象 (substring, StringBuilder, 反轉後 StringBuilder)。

方案二：char 數組原地反轉 (最高性能，零對象)

public static String reverseSubstringInPlace(String str, int start, int end) {
    if (str == null || start < 0 || end >= str.length() || start > end) {
        throw new IllegalArgumentException("參數非法");
    }
    char[] chars = str.toCharArray(); // 唯一數組分配
    int left = start, right = end;
    while (left < right) {
        char tmp = chars[left];
        chars[left++] = chars[right];
        chars[right--] = tmp;
    }
    return new String(chars);
}

優點：僅 1 次數組分配 + 1 次 String 創建，原地交換，極快。
適用：高頻調用、大字符串、性能敏感場景。

方案三：Java 8+ Stream (函數式風格，教學用)

public static String reverseSubstringStream(String str, int start, int end) {
    if (str == null || start < 0 || end >= str.length() || start > end) return str;
    return IntStream.range(0, str.length())
        .mapToObj(i -> {
            if (i >= start && i <= end) return str.charAt(end - (i - start));
            return str.charAt(i);
        })
        .collect(StringBuilder::new, StringBuilder::append, StringBuilder::append)
        .toString();
}

缺點：自動裝箱/解箱開銷大、可讀性反而下降、性能最差，**不推薦生產使用**。

方案四：Apache Commons Lang (企業級項目常用)

// 依賴: org.apache.commons:commons-lang3
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;

public static String reverseSubstringLang(String str, int start, int end) {
    if (str == null) return null;
    // StringUtils 無直接區間反轉，需組合
    String prefix = str.substring(0, start);
    String reversed = StringUtils.reverse(str.substring(start, end + 1));
    String suffix = str.substring(end + 1);
    return prefix + reversed + suffix;
}

性能基準測試 (JMH 風格)

邊界條件與參數校驗

// 統一校驗邏輯
private static void validate(String str, int start, int end) {
    if (str == null) throw new IllegalArgumentException("字符串不能為 null");
    int len = str.length();
    if (start < 0 || end >= len) throw new IndexOutOfBoundsException("索引越界: [" + start + "," + end + "] 長度 " + len);
    if (start > end) throw new IllegalArgumentException("start 不能大於 end");
}

特殊情況處理：

• start == end：單字符，反轉無效果，直接返回原串 (優化)。
• start == 0, end == len-1：整串反轉，可直接 new StringBuilder(str).reverse().toString()。
• Unicode 代理對 (Emoji、生僻字)：char[] 方案會拆分代理對導致亂碼！需用 codePointAt / StringBuilder 處理代碼點。

Unicode 安全版本 (補充)

public static String reverseSubstringUnicodeSafe(String str, int start, int end) {
    validate(str, start, end);
    // 按代碼點分割
    int[] codePoints = str.codePoints().toArray();
    // 區間反轉代碼點數組
    int left = start, right = end;
    while (left < right) {
        int tmp = codePoints[left];
        codePoints[left++] = codePoints[right];
        codePoints[right--] = tmp;
    }
    // 重構字符串
    return new String(codePoints, 0, codePoints.length);
}

總結選型建議

1. 通用業務代碼：StringBuilder + substring (方案一)，可讀性最好，性能足夠。
2. 高性能熱點路徑：char[] 原地反轉 (方案二)，極致優化。
3. 含 Emoji/生僻字：必須用 代碼點數組版本 (Unicode 安全版)。
4. 已引入 Commons Lang：可用方案四保持風格統一。