文字列: 可変性と不変性を理解する

Java では、アプリケーション間で文字列が操作、結合、保存されることが多いため、不変 と 可変 の文字列処理の違いを理解することは重要です。効率的なコードを書くために重要です。この投稿では、Java 文字列の可変性と不変性の概念を検討し、Java が String、StringBuilder、StringBuffer などの異なるクラスを提供する理由について詳しく説明します。

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1. Java における文字列の不変性

Java では、String は 不変です。つまり、String オブジェクトが作成されると、その値は変更できません。このプロパティは、マルチスレッド環境におけるセキュリティ、パフォーマンス、メモリ効率の点で有益です。不変性により、次のことが保証されます。

• 一貫性: 文字列に値が割り当てられると、その文字列は一定のままになります。

• スレッド セーフティ: 複数のスレッドは同期せずに同じ String インスタンスを安全に使用できます。

• メモリ効率: Java には、String オブジェクトを効率的に管理するための内部 String Pool があります。このプールは、各リテラル文字列の 1 つのコピーを保存し、可能な限り再利用します。

例:

String greeting = "Hello";
greeting = greeting + " World";  // A new String object is created
System.out.println(greeting);  // Output: Hello World

この例では、「 World」を連結しても元の文字列は変更されず、新しい文字列が作成されます。次に説明するように、繰り返しの変更を扱う場合、このプロセスは非効率になる可能性があります。

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2. 可変シナリオでの文字列の使用: 欠点

String の不変性は貴重な特性ですが、頻繁に変更が必要な状況で使用すると、メモリやパフォーマンスの問題が発生する可能性があります。 String が変更されるたびに新しいオブジェクトが作成されるため、メモリ使用量が増加し、ガベージ コレクターに負担がかかります。

次のアルファベット連結の例を考えてみましょう:

private String alphabetConcat() {
    String series = "";
    for (int i = 0; i < 26; i++) {
        series += (char) ('a' + i);
        System.out.println(series); // Outputs: a ab abc abcd ...
    }
    return series;
}

説明:

String は不変であるため、反復ごとに新しい String オブジェクトが作成され、その結果、このコードは O(n^2) の時間計算量で実行され、非常に非効率になります。

さらに、このアプローチでは、中間 String オブジェクトがそれぞれヒープに個別に格納されるため、メモリ効率が低下します。これらの未使用のオブジェクトは蓄積され、ガベージ コレクションのオーバーヘッドの増加につながります。

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3. 変更可能な代替: StringBuilder と StringBuffer

Java は、文字列が頻繁に変更される場合に対処するために、StringBuilder や StringBuffer などの mutable の代替手段を提供します。

StringBuilder を使用した効率的な変更性

StringBuilder は可変クラスです。つまり、文字列のインプレース変更が可能です。これにより、中間オブジェクトの作成が回避されるため、パフォーマンスが向上し、大量の文字列操作が含まれるシナリオには理想的な選択肢となります。前の例での動作は次のとおりです。

String greeting = "Hello";
greeting = greeting + " World";  // A new String object is created
System.out.println(greeting);  // Output: Hello World

ここで、StringBuilder はループ全体で同じオブジェクトを変更します。その結果、時間計算量は O(n) となり、String よりもはるかに効率的になります。

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覚えておくべき重要なポイント

• 文字列は不変であり、メモリ最適化のために文字列プールによってサポートされています。

• StringBuilder と StringBuffer は 変更可能です。 StringBuilder は高速ですがスレッドセーフではありません。一方、StringBuffer は同期されておりスレッドセーフです。

• シングルスレッドのシナリオでは、頻繁に変更を加えて StringBuilder を使用します。

• 不変性が必要な場合、または最小限の変更が期待される場合は、文字列を使用します。

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結論

この投稿では、可変性と効率性に基づいて String、StringBuilder、または StringBuffer をいつ使用するかを理解するための基礎を確立します。次の投稿では、StringBuilder と StringBuffer の違いをさらに深く掘り下げ、スレッドの安全性と同時実行性のシナリオを検討します。

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