Java 字串反轉五種實作方式效能對比

Java 字串反轉完整實作指南與效能分析

字串反轉是經典面試題，也是實務中常見操作 (如回文判斷、加密演算法、資料轉換)。本文介紹五種主流實作方式，從簡單易懂到高效能生產級，並提供 JMH 基準測試框架讓你在專案中實測選型。

五種實作方式

1. StringBuilder.reverse() - 生產首選

public static String reverseStringBuilder(String str) {
    if (str == null) return null;
    return new StringBuilder(str).reverse().toString();
}

• JDK 內建、高度優化、原生碼實作 (JDK 9+ 使用 StringLatin1.reverse/StringUTF16.reverse)
• 線程安全 (非共享)、可變緩衝區、單次分配
• 推薦等級：⭐⭐⭐⭐⭐

2. 字元陣列雙指針交換 - 手寫高效能

public static String reverseCharArray(String str) {
    if (str == null) return null;
    char[] arr = str.toCharArray();
    int left = 0, right = arr.length - 1;
    while (left < right) {
        char tmp = arr[left];
        arr[left] = arr[right];
        arr[right] = tmp;
        left++; right--;
    }
    return new String(arr);
}

• 原地交換、零額外物件 (除輸出字串)、緩存友好
• 適合嵌入式/極致效能場景、教學展示演算法
• 推薦等級：⭐⭐⭐⭐

3. 遞歸 + substring - 教學用、效能差

public static String reverseRecursive(String str) {
    if (str == null || str.length() <= 1) return str;
    return str.charAt(str.length() - 1) + reverseRecursive(str.substring(0, str.length() - 1));
}

• 每層遞歸建立新字串、substring 複製陣列 (JDK 7+)、O(n²) 時間、O(n) 棧深度
• 長字串導致 StackOverflowError、大量 GC 壓力
• 推薦等級：⭐ (僅教學)

4. Stream API - 函數式風格

public static String reverseStream(String str) {
    if (str == null) return null;
    return str.chars()
        .mapToObj(c -> (char) c)
        .reduce("", (acc, c) -> c + acc, (a, b) -> b + a); // 字串拼接極慢
}

// 改進版：收集到陣列再反轉
public static String reverseStreamImproved(String str) {
    if (str == null) return null;
    return str.chars()
        .mapToObj(c -> (char) c)
        .collect(StringBuilder::new, (sb, c) -> sb.append(c), StringBuilder::append)
        .reverse()
        .toString();
}

• 函數式表達、並行潛力 (但反轉無並行增益)
• 原版字串拼接 O(n²)，改進版接近 StringBuilder
• 推薦等級：⭐⭐⭐

5. ByteBuffer / 位元組層面 - 特殊編碼場景

public static String reverseBytes(String str, Charset charset) {
    if (str == null) return null;
    byte[] bytes = str.getBytes(charset);
    ByteBuffer buf = ByteBuffer.wrap(bytes);
    byte[] reversed = new byte[bytes.length];
    for (int i = bytes.length - 1; i >= 0; i--) {
        reversed[bytes.length - 1 - i] = bytes[i];
    }
    return new String(reversed, charset);
}

• 處理特定編碼位元組序列反轉 (非字元反轉)
• 多位元組字元 (UTF-8 中文) 會產生無效位元組序列，**慎用**
• 推薦等級：⭐ (特殊需求)

JMH 基準測試框架

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
@Warmup(iterations = 3, time = 1)
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@Fork(1)
public class StringReverseBenchmark {
    
    @Param({"10", "100", "1000", "10000"})
    public int length;
    
    private String testString;
    
    @Setup
    public void setup() {
        // 生成隨機字串
        StringBuilder sb = new StringBuilder(length);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            sb.append((char) ('a' + (i % 26)));
        }
        testString = sb.toString();
    }
    
    @Benchmark
    public String stringBuilder() {
        return new StringBuilder(testString).reverse().toString();
    }
    
    @Benchmark
    public String charArray() {
        char[] arr = testString.toCharArray();
        int l = 0, r = arr.length - 1;
        while (l < r) { char t = arr[l]; arr[l] = arr[r]; arr[r] = t; l++; r--; }
        return new String(arr);
    }
    
    @Benchmark
    public String streamImproved() {
        return testString.chars()
            .mapToObj(c -> (char) c)
            .collect(StringBuilder::new, (sb, c) -> sb.append(c), StringBuilder::append)
            .reverse().toString();
    }
}

典型測試結果參考 (JDK 17, x86_64)

特殊情況處理

總結建議

1. 生產代碼：new StringBuilder(str).reverse().toString() - 簡潔、高效、JDK 保證
2. 效能極致/教學：字元陣列雙指針 - 可控、零額外分配、展示演算法
3. 函數式風格：Stream + StringBuilder 收集器 - 團隊風格統一時
4. 避免：遞歸、字串拼接 (+)、ByteBuffer 字元反轉
5. Unicode 安全：含 Emoji 時必須用 code point 級別反轉