Java 基礎：String、StringBuffer、StringBuilder 核心機制與效能對比完整指南

字串處理是 Java 開發最高頻操作。本文深度解析 String 不可變設計動機、字串常量池機制、StringBuffer/StringBuilder 可變實現、線程安全差異、效能基準、傳遞語義、intern() 手動入池，並給出面試高頻題詳細解析與最佳實踐建議。

一、String：不可變設計的藝術

1. 不可變性

public final class String implements ... {
    private final char value[];  // JDK 8: char[]；JDK 9+: byte[] + coder
    // 所有「修改」操作實際返回新 String 物件
}

• final 類不可繼承，final 陣列不可重新指向
• String s = "a"; s = "b"; 是引用重新指向，非物件修改。兩個 String 物件共存

2. 為什麼不可變？三大核心動機

3. 字串常量池

• 位置：JDK 7 前在永久代，JDK 7+ 移至堆
• String s1 = "abc"; String s2 = "abc"; → 同一物件（s1 == s2 為 true）
• new String("abc") → 強制在堆建立新物件，不使用池中快取（除非調用 intern()）

二、StringBuffer vs StringBuilder：可變字串雙雄

核心差異：同步關鍵字

// StringBuffer
public synchronized StringBuffer append(String str) { ... }

// StringBuilder
public StringBuilder append(String str) { ... }  // 無 synchronized

三、效能基準：拼接字串實測

// 1. String + 拼接（循環中極差）
String s = "";
for (int i = 0; i < 100000; i++) s += "a";  // 每次產生新 String + StringBuilder 物件，O(n²)

// 2. StringBuilder（單執行緒最快）
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 100000; i++) sb.append("a"); // O(n)

// 3. StringBuffer（多執行緒共享時）
StringBuffer sbf = new StringBuffer();
// 多執行緒並發 append 安全

結論：單執行緒用 StringBuilder；多執行緒共享緩衝區用 StringBuffer；簡單拼接編譯器優化為 StringBuilder 可直接用 +。

四、面試高頻題深度解析

Q1: 如何比較兩字串？== vs equals()

• == 比較引用地址
• equals() 比較內容
• 常量池字串 == 可能 true，new String() 一定 false
• 永遠用 equals() 比較內容

Q2: String s = new String("abc") 建立幾個物件？

1. 常量池中 "abc"（若不存在則建立）
2. 堆上 new String(...) 新物件，複製常量池內容
3. 答案：1 或 2 個（視常量池是否已有 "abc"）

Q3: 字串作為參數傳遞是值傳遞還是引用傳遞？

• Java 只有值傳遞。傳遞的是引用的副本
• 方法內修改參數指向（str = "new"）不影響外部引用
• 但若傳入 StringBuilder，方法內 sb.append() 會影響外部物件（同一物件）

void change(String str) { str += "test"; }  // 區域變數 str 指向新物件，原物件不變
void changeSB(StringBuilder sb) { sb.append("test"); } // 修改同一物件，外部可見

Q4: String.intern() 作用？

• 若常量池已有內容相同字串，返回池中引用
• 否則將此字串加入池並返回引用
• 用途：手動入池節省記憶體、加速 == 比較（慎用）

五、JDK 9+ 優化：Compact Strings

• private final byte[] value; + byte coder; (LATIN1=0, UTF16=1)
• 純 ASCII 字串佔用記憶體減半
• 透明相容，無需程式碼變更

六、最佳實踐總結

七、總結

String 不可變是為了常量池複用、線程安全、安全性；StringBuilder 是單執行緒高效拼接首選；StringBuffer 保留給多執行緒共享場景。理解常量池、intern()、參數傳遞語義、JDK 9 Compact Strings，能讓你寫出高效、正確、記憶體友善的字串處理代碼。

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