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从JDK源码看StringBuilder

在 Java 中处理字符串时经常会使用 String 类，实际上 String 对象的值是一个常量，一旦创建后不能被改变。正是因为其不可变，所以也无法进行修改操作，只有不断地 new 出新的 String 对象。

为此 Java 引入了可变字符串变量 StringBuilder 类，它不是线程安全的，只用在单线程场景下。

继承结构

--java.lang.Object
  --java.lang.AbstractStringBuilder
    --java.lang.StringBuilder

类定义

public final class StringBuilder extends AbstractStringBuilder implements java.io.Serializable, CharSequence

StringBuilder 类被声明为 final，说明它不能再被继承。同时它继承了 AbstractStringBuilder 类，并实现了 Serializable 和 CharSequence 两个接口。

其中 Serializable 接口表明其可以序列化。

CharSequence 接口用来实现获取字符序列的相关信息，接口定义如下：

length()
charAt(int index)
subSequence(int start, int end)
toString()
chars()
codePoints()

public interface CharSequence {

    int length();

    char charAt(int index);

    CharSequence subSequence(int start, int end);

    public String toString();

    public default IntStream chars() {
        省略代码。。
    }

    public default IntStream codePoints() {
        省略代码。。
    }
}

主要属性

byte[] value;
byte coder;
int count;
  • value 该数组用于存储字符串值。
  • coder 表示该字符串对象所用的编码器。
  • count 表示该字符串对象中已使用的字符数。

构造方法

有若干种构造方法，可以指定容量大小参数，如果没有指定则构造方法默认创建容量为16的字符串对象。如果 COMPACT_STRINGS 为 true，即使用紧凑布局则使用 LATIN1 编码（ISO-8859-1编码），则开辟长度为16的 byte 数组。而如果是 UTF16 编码则开辟长度为32的 byte 数组。

public StringBuilder() {
        super(16);
    }
    
AbstractStringBuilder(int capacity) {
        if (COMPACT_STRINGS) {
            value = new byte[capacity];
            coder = LATIN1;
        } else {
            value = StringUTF16.newBytesFor(capacity);
            coder = UTF16;
        }
    }
    
public StringBuilder(int capacity) {
        super(capacity);
    }

如果构造函数传入的参数为 String 类型，则会开辟长度为 str.length() + 16 的 byte 数组，并通过 append 方法将字符串对象添加到 byte 数组中。 

public StringBuilder(String str) {
        super(str.length() + 16);
        append(str);
    }

类似地，传入参数为 CharSequence 类型时也做相同处理。

public StringBuilder(CharSequence seq) {
        this(seq.length() + 16);
        append(seq);
    }

主要方法

append方法

有多个 append 方法，都只是传入的参数不同而已，下面挑几个典型的深入看看，其他都是类似的处理。

如果传入 String 类型参数则调用父类的 append 方法将字符串对象添加到 StringBuilder 的 byte 数组中，然后返回 this。append 的逻辑为：

  • String 对象为 null的话则在 StringBuilder 的 byte 数组中添加 n u l l 四个字符。
  • 通过 ensureCapacityInternal 方法确保有足够的空间，如果没有则需要重新开辟空间。
  • 通过 putStringAt 方法将字符串对象里面的 byte 数组复制到 StringBuilder 的 byte 数组中，使用了 System.arraycopy 进行复制。
  • count 为已使用的字符数，将其加上复制的字符串长度。
  • 返回 this。
public StringBuilder append(String str) {
        super.append(str);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder append(String str) {
        if (str == null) {
            return appendNull();
        }
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        putStringAt(count, str);
        count += len;
        return this;
    }

ensureCapacityInternal 方法逻辑：

  • 首先获取现有的容量大小。
  • 如果需要的容量大于现有容量，则需要扩充容量，并且将原来的数组复制过来。
  • newCapacity 方法用于确定新容量大小，将现有容量大小扩大一倍再加上2，如果还是不够大则直接等于需要的容量大小，另外，如果新容量大小为负则容量设置为 MAX_ARRAY_SIZE ，它的大小等于 Integer.MAX_VALUE - 8 。 
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
        int oldCapacity = value.length >> coder;
        if (minimumCapacity - oldCapacity > 0) {
            value = Arrays.copyOf(value,
                    newCapacity(minimumCapacity) << coder);
        }
    }

private int newCapacity(int minCapacity) {
        int oldCapacity = value.length >> coder;
        int newCapacity = (oldCapacity << 1) + 2;
        if (newCapacity - minCapacity < 0) {
            newCapacity = minCapacity;
        }
        int SAFE_BOUND = MAX_ARRAY_SIZE >> coder;
        return (newCapacity <= 0 || SAFE_BOUND - newCapacity < 0)
            ? hugeCapacity(minCapacity)
            : newCapacity;
    }

putStringAt 的逻辑： 

inflate
StringUTF16.newBytesFor
StringLatin1.inflate
str.getBytes

private final void putStringAt(int index, String str) {
        if (getCoder() != str.coder()) {
            inflate();
        }
        str.getBytes(value, index, coder);
    }

private void inflate() {
        if (!isLatin1()) {
            return;
        }
        byte[] buf = StringUTF16.newBytesFor(value.length);
        StringLatin1.inflate(value, 0, buf, 0, count);
        this.value = buf;
        this.coder = UTF16;
    }

传入的参数为 CharSequence 类型时，他会分几种情况处理，如果为空则添加 n u l l 字符。另外还会根据对象实例化自 String 类型或 AbstractStringBuilder 类型调用对应的 append 方法。 

public StringBuilder append(CharSequence s) {
        super.append(s);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder append(CharSequence s) {
        if (s == null) {
            return appendNull();
        }
        if (s instanceof String) {
            return this.append((String)s);
        }
        if (s instanceof AbstractStringBuilder) {
            return this.append((AbstractStringBuilder)s);
        }
        return this.append(s, 0, s.length());
    }

传入的参数为 char 数组类型时，逻辑如下：

  • 通过 ensureCapacityInternal 方法确保足够容量。
  • append 过程中根据不同编码做不同处理。
  • 如果是 Latin1 编码，从偏移量开始将一个个字符赋值到 StringBuilder 对象的字节数组中，这个过程中会检测每个字符是否可以使用 Latin1 编码来解码，可以的话则直接将 char 转成 byte 并进行赋值操作。否则为 UTF16 编码，此时先通过 inflate() 扩展空间，然后再通过 StringUTF16.putCharsSB 将所有剩下的字符串以 UTF16 编码保存到 StringBuilder 对象中。
  • 如果是 UTF16 编码，则直接通过 StringUTF16.putCharsSB 将 char 数组添加到 StringBuilder 对象中。
  • 修改 count 属性，即已使用的字节数。
public StringBuilder append(char[] str) {
        super.append(str);
        return this;
    }

public AbstractStringBuilder append(char[] str) {
        int len = str.length;
        ensureCapacityInternal(count + len);
        appendChars(str, 0, len);
        return this;
    }

private final void appendChars(char[] s, int off, int end) {
        int count = this.count;
        if (isLatin1()) {
            byte[] val = this.value;
            for (int i = off, j = count; i < end; i++) {
                char c = s[i];
                if (StringLatin1.canEncode(c)) {
                    val[j++] = (byte)c;
                } else {
                    this.count = count = j;
                    inflate();
                    StringUTF16.putCharsSB(this.value, j, s, i, end);
                    this.count = count + end - i;
                    return;
                }
            }
        } else {
            StringUTF16.putCharsSB(this.value, count, s, off, end);
        }
        this.count = count + end - off;
    }

传入的参数为 boolean 类型时，逻辑如下：

  • 通过 ensureCapacityInternal 确定容量足够大，true 和 false 的长度分别为4和5。
  • 如果为 Latin1 编码，按条件将 t r u e 和 f a l s e 添加到 StringBuilder 对象的字节数组中。
  • 如果为 UTF16 编码，则按照编码格式将 t r u e 和 f a l s e 添加到 StringBuilder 对象的字节数组中。 
public StringBuilder append(boolean b) {
        super.append(b);
        return this;
    }

public AbstractStringBuilder append(boolean b) {
        ensureCapacityInternal(count + (b ? 4 : 5));
        int count = this.count;
        byte[] val = this.value;
        if (isLatin1()) {
            if (b) {
                val[count++] = 't';
                val[count++] = 'r';
                val[count++] = 'u';
                val[count++] = 'e';
            } else {
                val[count++] = 'f';
                val[count++] = 'a';
                val[count++] = 'l';
                val[count++] = 's';
                val[count++] = 'e';
            }
        } else {
            if (b) {
                count = StringUTF16.putCharsAt(val, count, 't', 'r', 'u', 'e');
            } else {
                count = StringUTF16.putCharsAt(val, count, 'f', 'a', 'l', 's', 'e');
            }
        }
        this.count = count;
        return this;
    }

如果传入的参数为 int 或 long 类型，则处理的大致逻辑都为先计算整数一共多少位数，然后再一个个放到 StringBuilder 对象的字节数组中。比如“789”，长度为3，对于 Latin1 编码则占3个字节，而 UTF16 编码占6个字节。

public StringBuilder append(int i) {
        super.append(i);
        return this;
    }

public StringBuilder append(long lng) {
        super.append(lng);
        return this;
    }

如果传入的参数为 float 或 double 类型，则处理的大致逻辑都为先计算浮点数一共多少位数，然后再一个个放到 StringBuilder 对象的字节数组中。比如“789.01”，长度为6，注意点也占空间，对于 Latin1 编码则占6个字节，而 UTF16 编码占12个字节。

public StringBuilder append(float f) {
        super.append(f);
        return this;
    }

public StringBuilder append(double d) {
        super.append(d);
        return this;
    }

appendCodePoint方法

该方法用于往 StringBuilder 对象中添加代码点。代码点是 unicode 编码给字符分配的唯一整数，unicode 有17个代码平面，其中的基本多语言平面（Basic Multilingual Plane，BMP）包含了主要常见的字符，其余平面叫做补充平面。

所以这里先通过 Character.isBmpCodePoint 判断是否属于 BMP 平面，如果属于该平面，此时只需要2个字节，则直接转成 char 类型并添加到 StringBuilder 对象。如果超出 BMP 平面，此时需要4个字节，分别用来保存 High-surrogate 和 Low-surrogate，通过 Character.toChars 完成获取对应4个字节并添加到 StringBuilder 对象中。 

public StringBuilder appendCodePoint(int codePoint) {
        super.appendCodePoint(codePoint);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder appendCodePoint(int codePoint) {
        if (Character.isBmpCodePoint(codePoint)) {
            return append((char)codePoint);
        }
        return append(Character.toChars(codePoint));
    }

delete方法

该方法用于将指定范围的字符删掉，逻辑为：

  • end 不能大于已使用字符数 count，大于的话则令其等于 count。
  • 通过 checkRangeSIOOBE 检查范围合法性。
  • 通过 shift 方法实现删除操作，其通过 System.arraycopy 来实现，即把 end 后面的字符串复制到 start 位置，即相当于将中间的字符删掉。
  • 修改已使用字符数 count 值。
  • 返回 this。
public StringBuilder delete(int start, int end) {
        super.delete(start, end);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder delete(int start, int end) {
        int count = this.count;
        if (end > count) {
            end = count;
        }
        checkRangeSIOOBE(start, end, count);
        int len = end - start;
        if (len > 0) {
            shift(end, -len);
            this.count = count - len;
        }
        return this;
    }

private void shift(int offset, int n) {
        System.arraycopy(value, offset << coder,
                         value, (offset + n) << coder, (count - offset) << coder);
    }

deleteCharAt方法

删除指定索引字符，与 delete 方法实现一样，通过 shift 方法实现删除，修改 count 值。 

public StringBuilder deleteCharAt(int index) {
        super.deleteCharAt(index);
        return this;
    }

public AbstractStringBuilder deleteCharAt(int index) {
        checkIndex(index, count);
        shift(index + 1, -1);
        count--;
        return this;
    }

replace方法

该方法用于将指定范围的字符替换成指定字符串。逻辑如下：

checkRangeSIOOBE
shift
putStringAt

public StringBuilder replace(int start, int end, String str) {
        super.replace(start, end, str);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder replace(int start, int end, String str) {
        int count = this.count;
        if (end > count) {
            end = count;
        }
        checkRangeSIOOBE(start, end, count);
        int len = str.length();
        int newCount = count + len - (end - start);
        ensureCapacityInternal(newCount);
        shift(end, newCount - count);
        this.count = newCount;
        putStringAt(start, str);
        return this;
    }

insert方法

该方法用于向 StringBuilder 对象中插入字符。根据传入的参数类型有若干个 insert 方法，操作都相似，深入看重点一个。

当传入的参数为 String 类型时，逻辑为：

checkOffset
null
ensureCapacityInternal
shift

public StringBuilder insert(int offset, String str) {
        super.insert(offset, str);
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder insert(int offset, String str) {
        checkOffset(offset, count);
        if (str == null) {
            str = "null";
        }
        int len = str.length();
        ensureCapacityInternal(count + len);
        shift(offset, len);
        count += len;
        putStringAt(offset, str);
        return this;
    }

除此之外，还可能插入 boolean 类型、object 类型、char 类型、char 数组类型、float 类型、double 类型、long 类型、int 类型和 CharSequence 类型。几乎都是先转成 String 类型再插入。

indexOf方法

该方法用于查找指定字符串的索引值，可以从头开始查找，也可以指定起始位置。

可以看到它间接调用了 String 类的 indexOf 方法，核心逻辑是如果是 Latin1 编码则通过 StringLatin1.indexOf 查找，而如果是 UTF16 编码则通过 StringUTF16.indexOf 查找。如果要查找的字符串编码和 StringBuilder 对象的编码不相同，则通过 StringUTF16.indexOfLatin1 查找。 

public int indexOf(String str) {
        return super.indexOf(str);
    }
    
public int indexOf(String str, int fromIndex) {
        return super.indexOf(str, fromIndex);
    }
    
public int indexOf(String str, int fromIndex) {
        return String.indexOf(value, coder, count, str, fromIndex);
    }
    
static int indexOf(byte[] src, byte srcCoder, int srcCount,
                       String tgtStr, int fromIndex) {
        byte[] tgt    = tgtStr.value;
        byte tgtCoder = tgtStr.coder();
        int tgtCount  = tgtStr.length();

        if (fromIndex >= srcCount) {
            return (tgtCount == 0 ? srcCount : -1);
        }
        if (fromIndex < 0) {
            fromIndex = 0;
        }
        if (tgtCount == 0) {
            return fromIndex;
        }
        if (tgtCount > srcCount) {
            return -1;
        }
        if (srcCoder == tgtCoder) {
            return srcCoder == LATIN1
                ? StringLatin1.indexOf(src, srcCount, tgt, tgtCount, fromIndex)
                : StringUTF16.indexOf(src, srcCount, tgt, tgtCount, fromIndex);
        }
        if (srcCoder == LATIN1) {   
            return -1;
        }
        return StringUTF16.indexOfLatin1(src, srcCount, tgt, tgtCount, fromIndex);
    }

Latin1 编码的 StringLatin1.indexOf 的主要逻辑为：先确定要查找的字符串的第一个字节 first，然后在 value 数组中遍历寻找等于 first 的字节，一旦找到等于第一个字节的元素，则比较剩下的字符串是否相等，如果所有都相等则查找到指定的字节数组，返回该索引值，否则返回-1。 

public static int indexOf(byte[] value, int valueCount, byte[] str, int strCount, int fromIndex) {
        byte first = str[0];
        int max = (valueCount - strCount);
        for (int i = fromIndex; i <= max; i++) {
            if (value[i] != first) {
                while (++i <= max && value[i] != first);
            }
            if (i <= max) {
                int j = i + 1;
                int end = j + strCount - 1;
                for (int k = 1; j < end && value[j] == str[k]; j++, k++);
                if (j == end) {
                    return i;
                }
            }
        }
        return -1;
    }

UTF16 编码的 StringUTF16.indexOf 逻辑与 Latin1 编码类似，只不过是需要两个字节合到一起（即比较 char 类型）进行比较。

另外如果源字符串的编码为 UTF16，而查找的字符串编码为 Latin1 编码， ，则通过 StringUTF16.indexOfLatin1 来查找，查找逻辑也是类似，只不过需要把一个字节的 Latin1 编码转成两个字节的 UTF16 编码后再比较。

lastIndexOf方法

该方法用于从尾部开始反向查找指定字符串的索引值，可以从最末尾开始查找，也可以指定末尾位置。它的实现逻辑跟 indexOf 差不多，只是反过来查找，这里不再赘述。 

public int lastIndexOf(String str) {
        return super.lastIndexOf(str);
    }

public int lastIndexOf(String str, int fromIndex) {
        return super.lastIndexOf(str, fromIndex);
    }

reverse方法

该方法用于将字符串反转，实现逻辑如下，其实就是做一个反转操作，遍历整个 StringBuilder 对象的数组，实现反转。其中分为 LATIN1 编码和 UTF16 编码做不同处理。

public StringBuilder reverse() {
        super.reverse();
        return this;
    }
    
public AbstractStringBuilder reverse() {
        byte[] val = this.value;
        int count = this.count;
        int coder = this.coder;
        int n = count - 1;
        if (COMPACT_STRINGS && coder == LATIN1) {
            for (int j = (n-1) >> 1; j >= 0; j--) {
                int k = n - j;
                byte cj = val[j];
                val[j] = val[k];
                val[k] = cj;
            }
        } else {
            StringUTF16.reverse(val, count);
        }
        return this;
    }

toString方法

该方法用于返回 String 对象，根据不同的编码分别 new 出 String 对象。其中 UTF16 编码会尝试压缩成 LATIN1 编码，失败的话则以 UTF16 编码生成 String 对象。

public String toString() {
        return isLatin1() ? StringLatin1.newString(value, 0, count)
                          : StringUTF16.newString(value, 0, count);
    }
    
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
        return new String(Arrays.copyOfRange(val, index, index + len),
                          LATIN1);
    }
    
public static String newString(byte[] val, int index, int len) {
        if (String.COMPACT_STRINGS) {
            byte[] buf = compress(val, index, len);
            if (buf != null) {
                return new String(buf, LATIN1);
            }
        }
        int last = index + len;
        return new String(Arrays.copyOfRange(val, index << 1, last << 1), UTF16);
    }

writeObject方法

该方法是序列化方法，先按默认机制将对象写入，然后再将 count 和 char 数组写入。

private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        s.defaultWriteObject();
        s.writeInt(count);
        char[] val = new char[capacity()];
        if (isLatin1()) {
            StringLatin1.getChars(value, 0, count, val, 0);
        } else {
            StringUTF16.getChars(value, 0, count, val, 0);
        }
        s.writeObject(val);
    }

readObject方法

该方法是反序列方法，先按默认机制读取对象，再读取 count 和 char 数组，最后再初始化对象内的字节数组和编码标识。

private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        s.defaultReadObject();
        count = s.readInt();
        char[] val = (char[]) s.readObject();
        initBytes(val, 0, val.length);
    }
    
void initBytes(char[] value, int off, int len) {
        if (String.COMPACT_STRINGS) {
            this.value = StringUTF16.compress(value, off, len);
            if (this.value != null) {
                this.coder = LATIN1;
                return;
            }
        }
        this.coder = UTF16;
        this.value = StringUTF16.toBytes(value, off, len);
    }

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