Java 字串處理核心：String、StringBuffer 與 StringBuilder 深度對比與自定義實現

Java 字串處理核心：String、StringBuffer 與 StringBuilder 深度對比與自定義實現

String：不可變的字串基石

在 Java 中，字串字面值屬於 String 類。雖然字元陣列也能表示字串，但 Java 編譯器將字串字面值視為 String 物件。String 物件一旦建立即不可變更。若需進行大量字串修改操作，應優先使用 StringBuilder 或 StringBuffer，最終再轉換為 String。

StringBuffer：執行緒安全的可變字串序列

StringBuffer 類似於 String，但提供可變的字串緩衝區。透過方法呼叫可改變序列長度與內容。每個緩衝區擁有特定容量，若字元序列長度未超出容量，無需分配新陣列；若溢出，容量會自動擴大。其所有公開方法均以 synchronized 修飾，保證執行緒安全，但也帶來效能開銷。

StringBuilder：高效能的非執行緒安全替代方案

自 JDK 1.5 起，StringBuilder 作為 StringBuffer 的非同步等價類登場。它支援所有相同操作，但因不執行同步，速度顯著更快。單執行緒環境下應優先使用 StringBuilder。

常用方法包括：length()、capacity()、append()、insert()、indexOf()、lastIndexOf()、reverse()、toString() 等。

public class StringBuilderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        sb.append("hello").append(1).append(1.5).append(true);
        System.out.println("長度: " + sb.length());
        System.out.println("容量: " + sb.capacity());
        sb.insert(5, "world");
        System.out.println(sb.toString()); // helloworld11.5true
        sb.replace(5, 7, "el");
        System.out.println(sb.toString()); // helloelrld11.5true
        System.out.println("首次出現 'el' 索引: " + sb.indexOf("el"));
        System.out.println("反轉: " + sb.reverse());
    }
}

自定義 MyStringBuilder 實現核心功能

透過封裝字元陣列，手動實現動態擴容、追加、長度統計與字串轉換等核心邏輯，深入理解 StringBuilder 底層原理。

import java.util.Arrays;

public class MyStringBuilderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyStringBuilder msb = new MyStringBuilder();
        msb.append("hello").append("java").append("12345678");
        System.out.println("字元個數: " + msb.length());
        System.out.println("總容量大小: " + msb.capacity());
        System.out.println("輸出字串: " + msb.toString());
    }
}

class MyStringBuilder {
    private char[] value; // 底層字元陣列
    private int count = 0; // 實際字元數

    public MyStringBuilder() { this.value = new char[16]; }
    public MyStringBuilder(int capacity) { this.value = new char[capacity]; }
    public MyStringBuilder(String str) { this.value = new char[str.length() + 16]; }

    public int length() { return count; }
    public int capacity() { return value.length; }

    // 核心追加邏輯：確保容量 -> 複製字元 -> 更新計數 -> 返回 this 支援鏈式呼叫
    public MyStringBuilder append(String str) {
        int len = str.length();
        ensureCapacity(count + len);
        str.getChars(0, len, value, count);
        count += len;
        return this;
    }

    private void ensureCapacity(int capacity) {
        if (capacity - value.length > 0) {
            int newCapacity = value.length * 2 + 2;
            value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
        }
    }

    public String toString() { return new String(value, 0, count); }
}

此實現展示了動態陣列擴容 (2倍+2)、字元複製與鏈式呼叫設計模式，是理解 JDK 內建類別原理的優秀切入點。