Java String 與 StringBuffer 差異深度解析與效能實測

核心差異總覽

底層機制深度解析

String 不可變性原理

// 反編譯視角
String a = "hello";
a += " world";
// 實際編譯為:
StringBuilder sb = new StringBuilder("hello");
sb.append(" world");
a = sb.toString();

每次拼接產生新 StringBuilder → append → toString() 新 String，舊物件等待 GC。

StringBuffer 擴容策略

// JDK 8 實作片段
public AbstractStringBuilder append(String str) {
    ensureCapacityInternal(count + str.length());
    // ...
}

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    if (minimumCapacity - value.length > 0) {
        value = Arrays.copyOf(value, newCapacity(minimumCapacity));
    }
}

private int newCapacity(int minCapacity) {
    return (value.length << 1) + 2; // 2倍 + 2
}

效能實測：10,000 次拼接

public class StringPerfTest {
    public static void main(String[] args) {
        int iterations = 10_000;

        // String +=
        long start = System.currentTimeMillis();
        String s = "";
        for (int i = 0; i < iterations; i++) s += i;
        System.out.println("String += : " + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms");

        // StringBuffer
        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        for (int i = 0; i < iterations; i++) sb.append(i);
        System.out.println("StringBuffer: " + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms");

        // StringBuilder (單執行緒首選)
        start = System.currentTimeMillis();
        StringBuilder sbl = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < iterations; i++) sbl.append(i);
        System.out.println("StringBuilder: " + (System.currentTimeMillis() - start) + " ms");
    }
}

典型輸出結果

String += : 1,245 ms
StringBuffer: 2 ms
StringBuilder: 1 ms

關鍵方法差異

實務最佳實踐指南

✅ 推薦做法

1. 單執行緒大量拼接：StringBuilder (JDK 5+ 首選)
2. 多執行緒共享緩衝區：StringBuffer
3. 固定格式化：String.format()、MessageFormat
4. 集合轉字串：String.join() (JDK 8+)、Collectors.joining()
5. 編譯期常量：直接用 +，編譯器優化為單一字串

❌ 避免做法

• 迴圈中使用 String +=
• 頻繁 substring() 大字串 (JDK 7+ 已修復共享 char[] 問題，但仍建議謹慎)
• 不必要的 new String("literal")

進階：預估容量避免擴容

// 預估最終長度約 50,000 字元
StringBuilder sb = new StringBuilder(50_000);
for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
    sb.append("Item").append(i).append(';');
}

預分配容量可消除擴容複製開銷，效能再提升 10-20%。

總結

String 不可變是設計而非缺陷，保證執行緒安全、字串常量池共享、安全性敏感場景不可篡改。StringBuilder 是單執行緒字串操作的標準選擇，StringBuffer 保留給少數多執行緒共享緩衝區場景。理解底層 char[]/byte[] (JDK 9+ Compact Strings) 擴容機制，預估容量、選對工具，才能寫出高效能 Java 程式碼。