Java中的StringBuilder

StringBuilder的定义

StringBuilder 是 Java 中的一个 可变字符序列类，位于 java.lang 包中。它用于创建和操作可变的字符串（字符序列），与 String 不同，StringBuilder 的内容是 可变的，不会像 String 那样在每次修改时创建新的对象，从而提高了性能，尤其在需要频繁修改字符串时非常有用。

StringBuilder的特点

可变性： StringBuilder 维护一个可变的char数组，操作时直接修改这个数组，不会生成新的对象。
效率高：在进行字符串拼接、插入、删除等操作时，相比 String 创建大量临时对象，StringBuilder 只需在原对象上进行操作，因此效率更高。
线程不安全：与 StringBuffer（线程安全版本）不同，StringBuilder 不是线程安全的，但在单线程环境下效率更高。

StringBuilder的构造方法

StringBuilder()

无参构造函数，创建一个初始容量为 16 的空 StringBuilder 对象。
StringBuilder(int capacity)

指定初始容量的构造函数，创建一个具有指定初始容量的 StringBuilder 对象，如果在追加字符时超出指定容量，StringBuilder 会自动扩容，扩容规则为：

新容量 = (旧容量 * 2) + 2
StringBuilder(String str)

以指定字符串内容为初始值的构造函数，创建一个包含给定字符串内容的 StringBuilder 对象，同时容量为 str.length() + 16。
StringBuilder(CharSequence seq)

以 CharSequence 接口实现类为初始内容的构造函数，创建一个包含指定字符序列的 StringBuilder 对象。

示例代码

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public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 无参构造
        StringBuilder sb1 = new StringBuilder();
        System.out.println("sb1 的初始容量：" + sb1.capacity()); // 输出：16

        // 指定容量构造
        StringBuilder sb2 = new StringBuilder(30);
        System.out.println("sb2 的初始容量：" + sb2.capacity()); // 输出：30

        // 以字符串为初始值的构造
        StringBuilder sb3 = new StringBuilder("Hello");
        System.out.println("sb3 的初始内容：" + sb3.toString()); // 输出：Hello
        System.out.println("sb3 的初始容量：" + sb3.capacity()); // 输出：21（5 + 16）

        // 以 CharSequence 为初始值的构造
        CharSequence seq = "World";
        StringBuilder sb4 = new StringBuilder(seq);
        System.out.println("sb4 的初始内容：" + sb4.toString()); // 输出：World
    }
}

StringBuilder的常见操作

追加数据

public StringBuilder append(String str)：将字符串str追加到 StringBuilder 对象的末尾。
public StringBuilder append(int i)：将 i 转换为字符串并追加到 StringBuilder 对象的末尾。
public StringBuilder append(char c)：将 c 转换为字符串并追加到 StringBuilder 对象的末尾。

作用

append() 方法用于在 StringBuilder 对象的末尾追加指定的内容。
支持多种类型的参数，包括 String、int、char 等。调用时会将传入的内容转换为字符串后附加到原字符串的后面。

示例

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
sb.append(" World").append(123).append('!');
System.out.println(sb); // 输出：Hello World123!

插入内容

public StringBuilder insert(int offset, String str)
public StringBuilder insert(int offset, int i)
public StringBuilder insert(int offset, char c)

作用

insert() 方法将指定的内容插入到 StringBuilder 对象中指定位置。
offset 参数表示插入的位置，内容会从这个位置开始插入。

示例

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello!");
sb.insert(5, " Java");
System.out.println(sb); // 输出：Hello Java!

删除内容

public StringBuilder delete(int start, int end)

作用：

delete() 方法删除 StringBuilder 中从 start 到 end-1 位置的字符。
删除的是一个字符范围，start 是包含的起始位置，end 是不包含的结束位置。

示例：

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello Java!");
sb.delete(5, 10);
System.out.println(sb); // 输出：Hello!

替换子串

public StringBuilder replace(int start, int end, String str)

作用：

replace() 方法将指定范围（start，end-1）内的字符替换为给定的字符串。
start 到 end 范围的字符被替换为 str。

示例：

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World!");
sb.replace(6, 11, "Java");
System.out.println(sb); // 输出：Hello Java!

反转字符串

public StringBuilder reverse()

作用：

reverse() 方法将 StringBuilder 中的字符序列反转。
例如，Hello 会变成 olleH。

示例：

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello");
sb.reverse();
System.out.println(sb); // 输出：olleH

获取属性

public int length()：获取字符串长度
public int capacity()：获取容量

操作指定位置的字符

public char charAt(int index)：获取指定位置的字符
public void setCharAt(int index, char ch)：设置指定位置的字符

截取子串

public String substring(int start)
public String substring(int start, int end)

作用：

substring() 方法返回 StringBuilder 中指定位置的子字符串。
如果只有 start 参数，则返回从 start 到最后的子字符串。
如果提供了 start 和 end，则返回该范围内的子字符串。

示例

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World");
System.out.println(sb.substring(6));      // 输出：World
System.out.println(sb.substring(0, 5));   // 输出：Hello

查找子串

public int indexOf(String str)
public int indexOf(String str, int fromIndex)

作用：

indexOf() 方法返回指定子字符串首次出现的位置。如果子字符串不存在，则返回 -1。
可以通过 fromIndex 参数指定从哪个位置开始查找。

示例

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StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello World");
System.out.println(sb.indexOf("World"));      // 输出：6
System.out.println(sb.indexOf("o", 5));       // 输出：7

equals方法

StringBuilder 类中的 equals() 方法在默认情况下并不按内容比较两个 StringBuilder 对象，而是按引用比较，即两个 StringBuilder 对象是否指向相同的内存位置。

StringBuilder的实现原理

大致核心实现

内部使用字符数组 (char[] value) 来存储字符序列
通过方法如 append()、insert() 等操作，直接修改内部的字符数组，而不会像 String 那样创建新的对象。
每次进行字符串操作时，如果当前容量不足，它会通过扩展数组容量来容纳新的字符，按 2 倍的容量扩展，以减少扩展次数，提高性能。

底层具体实现

StringBuilder 底层使用 char 数组 value 来存储字符，并且用 count 来记录存放的字符数
为了防止频繁地复制和申请内存，需要提供 capacity 参数来设置初始化数组的大小，这样可以减少数组的扩容次数，有效的提升效率！

append()的具体实现

int值转成 char 需要占数组的几位，然后计算一下现在的数组够不够放，如果不够就扩容，然后再把 int 转成 char 放进去，再更新现有的字符数。
扩容时调用 Arrays.copyOf，进行一波扩容加拷贝，扩容之后的数组容量为之前的两倍+2。

insert()的具体实现

这里是把数据转成 string
插入前先判断下数组长度足够，若不够就扩容。
移动字符，给待插入的位置腾出空间，然后往对应位置插入字符
最后更新 StringBuilder 已有的字符数

优化方法（JDK 11的优化）

char 数组是可以优化的，底层可以用 byte 数组+一个 coder 标志位来实现，这样更节省内存，因为 char 占用两个字节，这样对于 latin 系的字符来说，太大了，就很浪费，所以用 byte 数组，然后配备一个 coder 来标识所用的编码。