StringBuffer 与 StringBuilder 的源码分析与差异

在 Java 开发中，StringBuffer 和 StringBuilder 是两个常用的字符串操作类，尤其在需要频繁拼接字符串时，它们比直接使用 String 更高效。本文将从源码角度深入分析两者的差异，探讨它们的实现原理及 API，并总结适用场景。

1. 基本概述

StringBuffer：线程安全的可变字符串类，诞生于 JDK 1.0，主要用于多线程环境下。
StringBuilder：非线程安全的可变字符串类，引入于 JDK 1.5，适用于单线程场景，性能更高。

两者的核心功能都是通过字符数组实现字符串的动态拼接，但线程安全性和性能是它们的主要区别。

2. 源码分析

2.1 继承关系与基本结构

StringBuffer 和 StringBuilder 都继承自抽象类 AbstractStringBuilder，后者封装了字符数组操作的核心逻辑：

java 复制代码

abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence {
    char[] value; // 存储字符的数组
    int count;    // 当前字符数
    // ...
}

value 是底层的字符数组，初始容量默认 16（无参构造）。
count 表示当前已使用的字符数。

StringBuffer 和 StringBuilder 只是覆写了部分方法，添加了线程安全相关的控制。

2.2 构造方法

两者的构造方法类似，默认容量为 16，源码如下：

java 复制代码

// StringBuffer
public StringBuffer() {
    super(16);
}

// StringBuilder
public StringBuilder() {
    super(16);
}

如果指定初始字符串，会在字符串长度基础上再加 16：

java 复制代码

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

2.3 核心方法：append

append 是字符串拼接的核心方法，源码在 AbstractStringBuilder 中实现：

java 复制代码

public AbstractStringBuilder append(String str) {
    if (str == null) str = "null";
    int len = str.length();
    ensureCapacityInternal(count + len); // 确保容量足够
    str.getChars(0, len, value, count);  // 复制字符
    count += len;
    return this;
}

容量扩展 ：如果当前数组容量不足，会调用 ensureCapacityInternal 进行扩容，扩容策略为 (value.length << 1) + 2，即当前容量翻倍加 2。
字符复制 ：通过 getChars 将新字符串追加到 value 数组。

StringBuffer 的线程安全

StringBuffer 的 append 方法加了 synchronized 关键字：

java 复制代码

public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null; // 清除缓存
    super.append(str);
    return this;
}

每次操作都会加锁，确保多线程环境下数据一致性。

StringBuilder 的非线程安全

StringBuilder 的 append 直接调用父类实现，没有同步：

java 复制代码

public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

少了锁的开销，因此性能更高。

2.4 toString 方法

StringBuffer ：维护一个 toStringCache 字段缓存上次的 toString 结果，只有在修改后才会重建：

java 复制代码

public synchronized String toString() {
    if (toStringCache == null) {
        toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
    }
    return new String(toStringCache);
}

StringBuilder：直接构造新字符串，无缓存：

java 复制代码

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

StringBuffer 的缓存设计是为了减少多线程环境下重复构造的开销，但实际性能提升有限。

3. API 对比

两者的 API 几乎一致，主要包括：

append：追加字符串、字符等，支持多种重载。
insert：在指定位置插入数据。
delete：删除指定范围的字符。
replace：替换指定范围的字符。
reverse：反转字符串。
substring：提取子字符串。

区别在于：StringBuffer 的所有公共方法几乎都加了 synchronized，而 StringBuilder 没有。

4. 性能与适用场景

线程安全 ：
- StringBuffer：适合多线程环境，但因同步锁开销较大，性能较低。
- StringBuilder：非线程安全，单线程环境下效率更高。
性能测试 （示例）：在单线程下，循环 10 万次拼接字符串：
- StringBuilder：约 10ms
- StringBuffer：约 15ms 差距主要来自锁的开销。

5. 总结

选择依据 ：
- 多线程环境或遗留代码：用 StringBuffer。
- 单线程或性能敏感场景：用 StringBuilder。
源码差异 ：
- StringBuffer 通过 synchronized 实现线程安全，增加了性能开销。
- StringBuilder 去掉同步，逻辑更轻量。
建议：现代开发中，单线程场景占主导，StringBuilder 是首选。若需线程安全，可结合 Collections.synchronizedList 或 Lock 实现更灵活的控制。