Java String、StringBuffer 與 StringBuilder 差異詳解

前言

字串操作是 Java 開發高頻場景。String 不可變，StringBuffer 線程安全可變，StringBuilder 非線程安全可變。三者在效能、適用場景上有明顯差異，本文從原理、效能測試、最佳實踐三方面解析。

一、核心特性對比

二、效能深度剖析

1. 字串拼接：編譯器優化

// 編譯期常量折疊，等同於 "This is only a simple test"
String s1 = "This is only a" + " simple" + " test";

// 變數拼接：編譯器轉為 StringBuilder
String s2 = "This is only a";
String s3 = " simple";
String s4 = " test";
String s5 = s2 + s3 + s4; // 實際用 StringBuilder 建構

結論：常量拼接零開銷；變數拼接編譯器自動優化為 StringBuilder，手動用 StringBuffer 反而較慢（同步開銷）。

2. 迴圈大量拼接

// 糟糕：每次迴圈產生新 StringBuilder 並 toString()
String result = "";
for (int i = 0; i < 10000; i++) result += i;

// 良好：複用單一 StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10000; i++) sb.append(i);
String result = sb.toString();

3. 基準測試參考 (JMH)

• 單執行緒大量拼接：StringBuilder ≫ StringBuffer > String +=
• 多執行緒共享緩衝區：StringBuffer 安全但有鎖爭用；建議改用 ThreadLocal 或無鎖資料結構。

三、原始碼關鍵點

• StringBuffer 所有公開方法標記 synchronized。
• StringBuilder 繼承 AbstractStringBuilder，方法無同步。
• 兩者擴容機制相同：newCapacity = (oldCapacity << 1) + 2。
• Java 9+ 使用 byte[] + coder (Latin-1/UTF-16) 節省記憶體。

四、最佳實踐指南

1. 預設選擇：StringBuilder（單執行緒、高效能）。
2. 多執行緒共享：StringBuffer 或 ThreadLocal。
3. 少量拼接/常量：直接用 + 或 String.concat，可讀性最高。
4. API 設計：公開 API 回傳 String，內部構建用 StringBuilder。

五、總結

String 不可變適合作為不可變資料載體；StringBuilder 是高效能可變字串首選；StringBuffer 因同步開銷大，現代開發極少直接使用，除非確有多執行緒共享緩衝區需求且不願引入額外同步機制。