Java中String连接性能的分析

Posted 2020-09-23 一生不过烟花

　总结：如果String的数量小于4（不含4），使用String.concat()来连接String，否则首先计算最终结果的长度，再用该长度来创建一个StringBuilder，最后使用这个StringBuilder来连接所有String。
      我建议大家如果确定需要连接的String的数量小于4的，直接使用String.concat()来连接，虽然StringBundler能够帮你自动处理这一情况，但创建一个String[]和那些方法调用都是一些无谓的开销。
   

Java中的String是一个非常特殊的类，使它特殊的一个主要原因是：String是不可变的（immutable）。
     
      String的不可变性是Java安全机制和线程安全的基石，没了它Java将变的不堪一击。

      但不可变性的代价是昂贵的，当你试图“改变”一个String时，你实际上是在创建一个新的String，而原来的那个String在大多数情况下将会成 为垃圾（garbage）。多亏有了Java的垃圾自动回收机制，开发者不必在这些String垃圾上操太多心。但如果你完全忽略这些垃圾的存在，甚至肆 意乱用String的api，你的程序无疑将遭受大量GC（垃圾回收）活动的困扰。

      在JDK的发展史中，人们做过一些努力去改善String的垃圾创建开销。JDK1.0中加入StringBuffer，JDK1.5中加入 StringBuilder。StringBuffer和StringBuilder在功能上是完全相同的，为一的不同点在于StringBuffer是 线程安全的，而StringBuilder不是。绝大多数的String连接操作发生在一个方法调用中，也就是说是单一线程的工作环境，所以线程安全在这 里是绝对多余的。所以JDK给开发者的建议是当你要做String连接操作时，请使用StringBuffer或StringBuilder，当你确定连 接操作只发生在单一线程环境下时，使用StringBuilder而不是StringBuffer。在大多数情况下遵守这一建议与直接使用 String.concat()相比能够大幅提高性能，但实际环境中某些情况远比这复杂。这一建议并不能给你最佳的性能收益！今天我们要深入的探讨一下 String连接操作的性能问题，希望能帮助大家彻底理解这一问题。

      首先，需要辟谣，有些人说SB（StringBuffer和StringBuilder）总是比String.concat()有更好的性能。这一说法是不准确的！在特定条件下String.concat()要胜过SB。我们来通过一个例子证明这一点。

 

任务：
      连接两个String，

       String a = "abcdefghijklmnopq"; //length=17
       String b = "abcdefghijklmnopqr"; //length=18

说明：
      我们将要来分析一下不同连接方案的垃圾生产情况。讨论中我们将忽略由输入参数引起的垃圾，因为他们不是由连接代码创建的。另外我们只计算String内部的char[]，因为除了这个字符数组String的其它域都非常小，完全可以忽略他们对GC的影响。

 

方案1：
      使用String.concat()

代码：

       String result = a.concat(b);

      这行代码简单到不能再简单了，不过还是让我们来看看Sun JDK java.lang.String的源代码，搞清楚这个调用究竟是怎样进行的。
Sun JDK java.lang.String的源代码片段：

 1     public String concat(String str) {
 2         int otherLen = str.length();
 3         if (otherLen == 0) {
 4             return this;
 5         }
 6         char buf[] = new char[count + otherLen];
 7         getChars(0, count, buf, 0);
 8         str.getChars(0, otherLen, buf, count);
 9         return new String(0, count + otherLen, buf);
10     }
11 
12     String(int offset, int count, char value[]) {
13         this.value = value;
14         this.offset = offset;
15         this.count = count;
16     }

      这段代码首先创建一个新的char[]，数组长度为a.length() + b.length()，然后分别将a和b的内容拷贝到新数组中，最后使用这个数组创建一个新的String对象。这里我们要特殊注意一下使用的构造函数， 这个构造函数只有package访问权限，它直接使用传入的char[]作为新生成的String的内部字符数组，而没有做任何拷贝保护。这个构造函数必 须是package级别的访问权限，否则你就能用它创建出一个可变的String对象（在构造完String后修改传入的char[]）。JDK在 java.lang中的代码保证不会在调用这一构造函数后再修改传入的数组，加上java的安全机制不允许第三方代码加入java.lang包（你可以尝 试将自己的类放入java.lang包，此类将无法成功加载），所以String的不可变性不会被破坏。

      整个过程我们没有创建任何垃圾对象（我们有言在先，a和b是传入参数，不是连接代码创建的，所以即使他们变成垃圾我们也不去计算），所以一切良好！

方案2:
      使用SB.append(), 这里我使用StringBuilder来进行分析，对于StringBuffer也是完全一样的。

代码:

      String result = new StringBuilder().append(a).append(b).toString();

      这行代码明显比String.concat()方案的代码复杂，但它的性能如何呢？让我们分4步来分析它new StringBuilder()，append(a)，append(b)和toString().
      1）new StringBuilder().
      让我们来看看StringBuilder的源代码：

1     public StringBuilder() {
2         super(16);
3     }
4 
5     AbstractStringBuilder(int capacity) {
6         value = new char[capacity];
7     }

      它创建了一个大小为16的char[]，目前为止还没有创建任何垃圾对象。
      2）append(a).
      继续看源代码：

 1     public StringBuilder append(String str) {
 2         super.append(str);
 3         return this;
 4     }
 5     public AbstractStringBuilder append(String str) {
 6         if (str == null) str = "null";
 7         int len = str.length();
 8         if (len == 0) return this;
 9         int newCount = count + len;
10         if (newCount > value.length)
11             expandCapacity(newCount);
12         str.getChars(0, len, value, count);
13         count = newCount;
14         return this;
15     }
16     void expandCapacity(int minimumCapacity) {
17         int newCapacity = (value.length + 1) * 2;
18         if (newCapacity < 0) {
19             newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
20         } else if (minimumCapacity > newCapacity) {
21             newCapacity = minimumCapacity;
22         }
23         value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
24     }

      这段代码首先确保SB的内部char[]有足够的剩余空间，这导致创建了一个新的大小为34的char[]，而之前的大小为16的char[]成为垃圾对象。标记点1，我们创建了第一个垃圾对象，大小为16个char。
      3）append(b).
      相同的逻辑，首先确保内部char[]有足够的剩余空间，这导致创建了一个新的大小为70的char[]，而之前的大小为34的char[]成为垃圾对象。标记点2,我们创建了第二个垃圾对象，大小为34个char。
       4）toString()
      看源代码：

 1 public String toString() {
 2         // Create a copy, don‘t share the array
 3         return new String(value, 0, count);
 4     }
 5     public String(char value[], int offset, int count) {
 6         if (offset < 0) {
 7             throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
 8         }
 9         if (count < 0) {
10             throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
11         }
12         // Note: offset or count might be near -1>>>1.
13         if (offset > value.length - count) {
14             throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
15         }
16         this.offset = 0;
17         this.count = count;
18         this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
19     }

      要重点注意一下这次的构造函数，它有public访问权限，所以它必须做拷贝保护，不然就有可能破坏String的不可变性。但这又创建了一个垃圾对象。标记点3，我们创建了第三个垃圾对象，大小为70个char。

      因此我们一共创建了3个垃圾对象，总大小为16+34+70=120个char！ Java使用Unicode-16编码，这就意味着240byte的垃圾！

      有一件事情能够改善SB的性能，把代码改为：

    String result = new StringBuilder(a.length() + b.length()).append(a).append(b).toString();

      自己算一下吧，这次我们只创建了1个垃圾对象，大小为17+18=35个char，还是不怎么样，不是吗？

      和String.concat()比起来SB创建了“许多”垃圾（任何比0大的数和0比起来都是无穷大！），而且相信你也注意到了，SB比String.concat()有更多的方法调用（栈操作可不是免费的）。
    
      进一步的分析可以发现（自己分析吧），当你连接少于4个String时（不含4），String.concat()要比SB高效的多。

      所以当你要连接多于3个String时（不含3），我们应该使用SB，对吗？

      不全对！

      SB有一个天生固有的毛病，它使用一个可以动态增长的内部char[]来追加新的String，当你追加新String且SB达到了内部容量上限时，它就 必须扩大内部缓冲区。之后SB获得了一个更大的char[]，而之前使用的char[]则变为了垃圾。如果我们能够精确的告诉SB最终的结果有多长，它就 可以省掉许多由无谓的增长产生的垃圾。但想要预测最终结果的长度并不容易！
    
      与预测最终结果的长度相比，预测要连接String的数量就显得容易多了。我们可以先缓存要连接的String，然后在最后那一刻（调用 toString()的时候）计算最终结果的精确长度，用该长度创建一个SB来连接String，这样就能节省掉许多无谓的中间垃圾char[]。尽管有 时想要精确预测要连接的String数量也是很难的，我们可以效仿SB的做法，使用一个动态增长的String[]来缓存String，因为 String[]要比原来的char[]小的多（现实世界中的String普遍多余一个字符），所以一个动态增长的String[]要比动态增长的 char[]便宜的多。接下来我要介绍的StringBundler就是基于这一原理工作的。

 1     public StringBundler() {
 2         _array = new String[_DEFAULT_ARRAY_CAPACITY]; // _DEFAULT_ARRAY_CAPACITY = 16
 3     }
 4 
 5     public StringBundler(int arrayCapacity) {
 6         if (arrayCapacity <= 0) {
 7             throw new IllegalArgumentException();
 8         }
 9         _array = new String[arrayCapacity];
10     }
11 

      第一个构造函数会创建一个默认数组大小为16的StringBundler，第二个构造函数允许你指定一个初始容量。每当你调用append()时，你并没有真正的执行String连接操作，而是将该String放置到缓存数组中。

 1     public StringBundler append(String s) {
 2         if (s == null) {
 3             s = StringPool.NULL;
 4         }
 5         if (_arrayIndex >= _array.length) {
 6             expandCapacity();
 7         }
 8         _array[_arrayIndex++] = s;
 9         return this;
10     }
11 

      如果你追加的String数量超过了缓存数组容量，内部的String[]会动态增长。

1     protected void expandCapacity() {
2         String[] newArray = new String[_array.length << 1];
3         System.arraycopy(_array, 0, newArray, 0, _array.length);
4         _array = newArray;
5     }
6 

      扩充一个String[]要比扩充char[]便宜的多。因为String[]比较小，而且增长的频度要远比原来的char[]低。
      当你完成了全部追加后，调用toString()来获取最终结果。

 1     public String toString() {
 2         if (_arrayIndex == 0) {
 3             return StringPool.BLANK;
 4         }
 5         String s = null;
 6         if (_arrayIndex <= 3) {
 7             s = _array[0];
 8             for (int i = 1; i < _arrayIndex; i++) {
 9                 s = s.concat(_array[i]);
10             }
11         }
12         else {
13             int length = 0;
14             for (int i = 0; i < _arrayIndex; i++) {
15                 length += _array[i].length();
16             }
17             StringBuilder sb = new StringBuilder(length);
18             for (int i = 0; i < _arrayIndex; i++) {
19                 sb.append(_array[i]);
20             }
21             s = sb.toString();
22         }
23         return s;
24     }
25 

      如果String的数量小于4（不含4），使用String.concat()来连接String，否则首先计算最终结果的长度，再用该长度来创建一个StringBuilder，最后使用这个StringBuilder来连接所有String。

      我建议大家如果确定需要连接的String的数量小于4的，直接使用String.concat()来连接，虽然StringBundler能够帮你自动处理这一情况，但创建一个String[]和那些方法调用都是一些无谓的开销。
    
      如果大家想进一步了解StringBundler，可以查看Liferay的JIRA连接，
      http://support.liferay.com/browse/LPS-6072

      好了，解释的已经够多了，是时候看看性能测试结果了，这些测试结果将向你展示StringBundler能为你带来多大的性能提升！

      我们将要比较String.concat()，StringBuffer，StringBuilder，使用默认构造函数的StringBundler,使用给定初始化容量构造函数的StringBundler在连接String时的性能差异。

      具体比较内容有两部分：

1. 比较在完成相同次数连接操作情况下，各种连接方式的时间消耗。
2. 比较在完成相同次数连接操作情况下，各种连接方式的垃圾生产量。

      测试中使用连接String长度均为17，要连接的String的数量从72到2，对每个连接数量执行100，000次重复操作。
      对于1,我只采用连接数量从40到2时产生的结果进行比较分析，因为JVM的预热会对前面的结果产生影响（JIT会占用大量的CPU时间）。
      对于2,我采用全部结果进行比较分析，因为JVM的预热不会对总的垃圾生成数量产生影响（JIT虽然也会产生垃圾，但对于各个测试应是近似平等的，我只比较差值，所以该影响可以忽略）。

      顺便说一下，我使用如下JVM参数来生成GC日志：

      -XX:+UseSerialGC -Xloggc:gc.log -XX:+PrintGCDetails

      之所以采用SerialGC是为了消除多处理器对测试结果的影响。

      下面的图片展示各种连接方式间时间消耗的不同：

      由图可以看出：

1. 当连接2或3个String时，String.concat()的性能最好
2. StringBundler整体上优于SB
3. StringBuilder优于StringBuffer（由于节省了大量的同步操作）

      对于3，在今后的blog中我还会更进一步的展开讨论，在我们自己的代码和JDK的代码中存在大量相似的情况，许多同步保护都是不必要的（至少在特定的情 况下是不必要的），比如JDK的IO包。如果我们能够绕过这些不必要的同步操作，我们就能大幅提高程序性能。

      下面我们来分析以下GC日志（GC日志并不能100%准确的告诉你垃圾的数量，但它可以告诉你一个大致的趋势）

String.concat()	229858963K
StringBuffer	34608271K
StringBuilder	34608144K
StringBundler（默认构造函数）	21214863K
StringBundler（明确指定String数量构造函数）	19562434K

      由统计数字可以看出，StringBundler节省了大量的String垃圾。

      最后我给大家留下4点建议：

1. 当你连接2或3个String时，使用String.concat()。
2. 如果你要连接多于3个String（不含3）,并且你能够精确预测出最终结果的长度，使用StringBuilder/StringBuffer，并设定初始化容量。
3. 如果你要连接多于3个String（不含3）,并且你不能够精确预测出最终结果的长度，使用StringBundler。
4. 如果你使用StringBundler,并且你能预测出要连接的String数量，使用指定初始化容量的构造函数。

      如果你很懒！直接使用StringBundler吧，他在绝大多数情况下是最佳选择，在其他情况下虽然他不是最佳选择，但也能提供足够的性能保障。

      这里我提供了一个消除了对Liferay其他类文件依赖的StringBundler供大家下载使用。