Java字符串之性能优化

基础类型转化成String

在程序中你可能时常会需要将别的类型转化成String,有时候可能是一些基础类型的值。在拼接字符串的时候,如果你有两个或者多个基础类型的值需要放到前面,你需要显式的将第一个值转化成String(不然的话像System.out.println(1+’a')会输出98,而不是”1a”)。当然了,有一组String.valueOf方法可以完成这个(或者是基础类型对应的包装类的方法),不过如果有更好的方法能少敲点代码的话,谁还会愿意这么写呢?

在基础类型前面拼接上一个空串(”"+1)是最简单的方法了。这个表达式的结果就是一个String,在这之后你就可以随意的进行字符串拼接操作了——编译器会自动将那些基础类型全转化成String的。

不幸的是,这是最糟糕的实现方法了。要想知道为什么,我们得先介绍下这个字符串拼接在Java里是如何处理的。如果一个字符串(不管是字面常量也好,或者是变量,方法调用的结果也好)后面跟着一个+号,再后面是任何的类型表达式:

string_exp + any_exp

Java编译器会把它变成:

new StringBuilder().append( string_exp ).append( any_exp ).toString()

如果表达式里有多个+号的话,后面相应也会多多几个StringBuilder.append的调用,最后才是toString方法。

StringBuilder(String)这个构造方法会分配一块16个字符的内存缓冲区。因此,如果后面拼接的字符不超过16的话,StringBuilder不需要再重新分配内存,不过如果超过16个字符的话StringBuilder会扩充自己的缓冲区。最后调用toString方法的时候,会拷贝StringBuilder里面的缓冲区,新生成一个String对象返回。

这意味着基础类型转化成String的时候,最糟糕的情况就是你得创建:一个StringBuilder对象,一个char[16]数组,一个String对象,一个能把输入值存进去的char[]数组。使用String.valueOf的话,至少StringBuilder对象省掉了。

有的时候或许你根本就不需要转化基础类型。比如,你正在解析一个字符串,它是用单引号分隔开的。最初你可能是这么写的:

final int nextComma = str.indexOf("'");

或者是这样:

final int nextComma = str.indexOf('\'');

程序开发完了,需求变更了,需要支持任意的分隔符。当然了,你的第一反应是,得将这个分隔符存到一个String对象中,然后使用String.indexOf方法来进行拆分。我们假设有个预先配置好的分隔符就放到m_separator字段里(译注:能用这个变量名的,应该不是Java开发出身的吧。。)。那么,你解析的代码应该会是这样的:

private static List<String> split( final String str )
{
    final List<String> res = new ArrayList<String>( 10 );
    int pos, prev = 0;
    while ( ( pos = str.indexOf( m_separator, prev ) ) != -1 )
    {
        res.add( str.substring( prev, pos ) );
        prev = pos + m_separator.length(); // start from next char after separator
    }
    res.add( str.substring( prev ) );
    return res;
}

不过后面你发现这个分隔符就只有一个字符。在初始化的时候,你把String mseparator改成了char mseparator,然后把setter方法也一起改了。但你希望解析的方法不要改动太大(代码现在是好使的,我为什么要费劲去改它呢?):

private static List<String> split2( final String str )
{
    final List<String> res = new ArrayList<String>( 10 );
    int pos, prev = 0;
    while ( ( pos = str.indexOf("" + m_separatorChar, prev ) ) != -1 )
    {
        res.add( str.substring( prev, pos ) );
        prev = pos + 1; // start from next char after separator
    }
    res.add( str.substring( prev ) );
    return res;
}

正如你所看到的,indexOf方法的调用被改动了,不过它还是新建出了一个字符串然后传递进去。当然,这么做是错的,因为还有一个indexOf方法是接收char类型而不是String类型的。我们用它来改写一下:

private static List<String> split3( final String str )
{
    final List<String> res = new ArrayList<String>( 10 );
    int pos, prev = 0;
    while ( ( pos = str.indexOf(m_separatorChar, prev ) ) != -1 )
    {
        res.add( str.substring( prev, pos ) );
        prev = pos + 1; // start from next char after separator
    }
    res.add( str.substring( prev ) );
    return res;
}

我们来用上面的三种实现来进行测试,将”abc,def,ghi,jkl,mno,pqr,stu,vwx,yz”这个串解析1000万次。下面是Java 641和715的运行时间。Java7由于它的String.substring方法线性复杂度的所以运行时间反而增加了。关于这个你可以参考下这里的资料。

可以看到的是,简单的一个重构,明显的缩短了分割字符串所需要的时间(split/split2->split3)。

split split2 split3
Java 6 4.65 sec 10.34 sec 3.8 sec
Java 7 6.72 sec 8.29 sec 4.37 sec

字符串拼接

本文当然也不能完全不提字符串拼接另外两种方法。第一种是String.concat,这个很少会用到。它内部其实是分配了一个char[],长度就是拼接后的字符串的长度,它将字符串的数据拷贝到里面,最后使用了私有的构造方法来生成了一个新的字符串,这个构造方法不会再对char[]进行拷贝,因此这个方法调用只创建了两个对象,一个是String本身,还有一个就是它内部的char[]。不幸的是,除非你只拼接两个字符串,这个方法才会比较高效一些。

还有一种方法就是使用StringBuilder类,以及它的一系列的append方法。如果你有很多要拼接的值的话,这个方法当然是最快的了。它在Java5中被首度引入,用来替代StringBuffer。它们的主要区别就是StringBuffer是线程安全的,而StringBuilder不是。不过你会经常并发的拼接字符串么难道?

在测试中,我们把0到100000之间的数全部进行了拼接,分别使用了String.concat, +操作符,还有StringBuilder,代码如下:

String res = ""; 
for ( int i = 0; i < ITERS; ++i )
{
    final String s = Integer.toString( i );
    res = res.concat( s ); //second option: res += s;
}        
//third option:        
StringBuilder res = new StringBuilder(); 
for ( int i = 0; i < ITERS; ++i )
{
    final String s = Integer.toString( i );
    res.append( s );
}
String.concat + StringBuilder.append
10.145 sec 42.677 sec 0.012 sec

结果非常明显——O(n)的时间复杂度明显要比O(n2) 要强得多。不过在实际工作中会用到大量的+操作符——因为它们实在是非常方便。为了解决这个问题,从Java6 update 20开始,引入了一个-XX:+OtimizeStringConcat开关。在Java 702和Java 715之间的版本,它是默认打开着的(在Java 6_41中还是默认关闭着的),因此可能你得手动将它打开。跟其它-XX的选项一样,它的文档也相当的差:

Optimize String concatenation operations where possible. (Introduced in Java 6 Update 20)

我们假设Oracle的工程师实现这个选项的时候是尽了最大努力的吧。坊间传闻,它是把一些StringBuilder拼接的逻辑替换成了类似String.concat那样的实现——它先生成一个合适大小的char[]然后再把东西拷贝进去。最后生成一个String。那些嵌套的拼接操作它可能也支持(str1 +(str2+str3) +str4)。打开这个选项后进行测试,结果表明,+号的性能跟String.concat的十分接近:

String.concat + StringBuilder.append
10.19 sec 10.722 sec 0.013 sec

我们做另外一个测试。正如前面提到的,默认的StringBuilder构造器分配的是16个字符的缓冲区。当需要添加第17个字符时,这个缓冲区会被扩充。我们把100到100000间的数字分别追加到”12345678901234”的后面。结果串的长度应该是在17到20之间,因此默认的+操作符的实现会需要StringBuilder重新调整大小。作为对比,我们再做另一个测试,在这里我们直接创建一个StringBuilder(21)来保证它的缓冲区足够大,而不会重新调整:

final String s = BASE + i;
final String s = new StringBuilder( 21 ).append( BASE ).append( i ).toString();

没有打开这个选项的话,+号的实现会比显式的StringBuilder的实现的时间要多出一半。打开了这个选项后,两边的结果是一样的。不过有趣的是,即使是StringBuilder的实现本身,打开了开关后速度居然也变快了!

+, 开关关闭 +, 开关打开 new StringBuilder(21),开关关闭 new StringBuilder(21),开关打开
0.958 sec 0.494 sec 0.663 sec 0.494 sec

总结

  • 当转化成字符串的时候,应当避免使用”"串进行转化。使用合适的String.valueOf方法或者包装类的toString(value)方法。
  • 尽量使用StringBuilder进行字符串拼接。检查下老旧码,把那些能替换掉的StringBuffer也替换成它。
  • 使用Java 6 update 20引入的-XX:+OptimizeStringConcat选项来提高字符串拼接的性能。在最近的Java7的版本中已经默认打开了,不过在Java 6_41还是关闭的。


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