《Thinking in Java》讀書筆記：第 13 章 字符串——不可變性、StringBuilder、格式化、正則表達式、Scanner

字符串是 Java 應用中使用最頻繁的類型，第 13 章深入剖析 String 不可變設計、拼接性能陷阱、格式化輸出、正則表達式引擎、Scanner 掃描器。本文系統整理核心知識與實戰最佳實踐。

String 不可變性：設計哲學與影響

• 不可變：String 所有「修改」方法（substring、replace、toUpperCase、concat）均返回新對象，原對象不變。
• 好處：線程安全（無狀態）、可安全共享、哈希值可緩存（hashCode 懶加載）、字符串常量池去重、安全性（網絡/文件路徑參數不可被竄改）。
• 代價：頻繁修改產生大量臨時對象，GC 壓力大。

拼接性能：+ 操作符 vs StringBuilder

// 循環中用 + → 每次迭代隱式 new StringBuilder() → append → toString() → 極慢
String s = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) s += i; // O(n²) 字符複製

// 正確：顯式 StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++) sb.append(i);
String result = sb.toString(); // O(n)

• 編譯器優化：單行 a + b + c 會自動優化為 StringBuilder，但循環/條件分支中無法優化。
• JDK 5 前用 StringBuffer（同步、慢），JDK 5+ 推薦 StringBuilder（非同步、快）。
• toString() 中循環拼接必須顯式用 StringBuilder。

格式化輸出：printf / format / Formatter

核心語法

System.out.printf("姓名：%s，年齡：%d，身高：%.2f%n", name, age, height);
// %[參數索引$][標誌][寬度][.精度]轉換符

常用轉換符

三種格式化 API

• System.out.printf(format, args)：直接輸出控制台。
• String.format(format, args)：返回格式化字符串（靜態方法，內部用 Formatter）。
• new Formatter().format(format, args)：底層引擎，可輸出到任意 Appendable（StringBuilder、文件、Socket）。

正則表達式：字符串處理的瑞士軍刀

String 內置便捷方法

"abc123def".matches("\\d+")        // 整體匹配：false
"abc123def".split("\\d+")          // 分割：["abc", "def"]
"abc123def".replaceAll("\\d+", "#") // 替換："abc#def"
"abc123def".replaceFirst("\\d+", "#") // 首次替換："abc#def"

Pattern & Matcher：高性能、複雜場景

Pattern p = Pattern.compile("(\\d{4})-(\\d{2})-(\\d{2})"); // 編譯一次，多次復用
Matcher m = p.matcher("2024-01-15");
while (m.find()) {
    System.out.println("年：" + m.group(1) + " 月：" + m.group(2) + " 日：" + m.group(3));
    // group(0) 整個匹配，group(1..n) 捕獲組
}

量詞模式對比

分組與邊界

• (...) 捕獲組，(?:...) 非捕獲組（不佔 group 索引）。
• m.start()/m.end() 獲取匹配區間，m.group(i) 獲取組內容。
• matches() 整體匹配，lookingAt() 前缀匹配，find() 部分匹配（可多次調用遍歷）。

Scanner：掃描器統一輸入解析

Scanner sc = new Scanner(System.in); // 或 new Scanner(file) / new Scanner(string)
sc.useDelimiter("\\s+"); // 自定義分隔符（正則），默認空白字符

while (sc.hasNextInt()) {
    int num = sc.nextInt();
    System.out.println("讀到整數：" + num);
}
sc.close();

• nextInt()、nextDouble()、nextLine()、next(Pattern) 等類型安全讀取。
• 分隔符僅作用於下一個 token，若模式包含分隔符永不會匹配。
• 關閉 Scanner 會關閉底層 Readable（如 System.in 將不可再讀），慎用。

實戰避坑指南

1. 字符串常量池：String s1 = "a"; String s2 = "a"; s1 == s2 → true；new String("a") 強制創建堆對象，== 比較引用，內容比較永遠用 equals()。
2. 正則轉義：Java 字符串中 \ 需雙重轉義 \\，Pattern.quote(str) 自動轉義字面量。
3. Scanner 陷阱：nextInt() 後緊跟 nextLine() 會讀到空行（換行符未消費），解決：sc.nextLine() 先消費換行。
4. 性能敏感場景：預編譯 Pattern、復用 Matcher、避免循環中 String.matches() 重複編譯。

總結

字符串處理核心三板斧：不可變認知 + StringBuilder 拼接 + 正則/格式化 API 選型。掌握 Pattern/Matcher 高級用法（分組、邊界、量詞模式），能解決 99% 文本解析需求。Scanner 適合簡單控制台/文件掃描，複雜解析請上正則或專用解析器（Jackson、Gson、ANTLR）。

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