지난 글에서는 String의 메모리와 일부 기능에 대한 심층 분석을 수행했습니다. 이 기사에서는 String과 관련된 다른 두 클래스인 StringBuilder 및 StringBuffer를 심층적으로 분석합니다. 이 두 클래스와 String의 관계는 무엇입니까? 먼저 아래 클래스 다이어그램을 살펴보겠습니다.
그림에서 StringBuilder와 StringBuffer는 모두 AbstractStringBuilder를 상속하고 AbstractStringBuilder와 String은 공통 인터페이스 CharSequence를 구현하는 것을 볼 수 있습니다.
우리는 문자열이 일련의 문자로 구성된다는 것을 알고 있습니다. 문자열의 내부 구현은 char 배열(jdk9 이후 바이트 배열 기반)을 기반으로 하며 배열은 일반적으로 연속적인 메모리 영역이므로 다음과 같이 지정해야 합니다. 배열의 크기를 초기화합니다. 이전 기사에서 우리는 String의 내부 배열이 final로 선언되었기 때문에 변경할 수 없다는 것을 이미 알고 있었습니다. 동시에 String 문자 접합, 삽입, 삭제 및 기타 작업은 모두 새 개체를 인스턴스화하여 구현됩니다. 오늘 알아볼 StringBuilder와 StringBuffer는 String보다 더 동적입니다. 다음으로, 이 두 가지 범주를 함께 알아봅시다.
1. StringBuilder
StringBuilder의 상위 클래스인 AbstractStringBuilder에서 다음 코드를 볼 수 있습니다.
abstract class AbstractStringBuilder implements Appendable, CharSequence { /**
* The value is used for character storage.
*/
char[] value; /**
* The count is the number of characters used.
*/
int count;
}复制代码
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StringBuilder는 String과 마찬가지로 char 배열을 기반으로 구현됩니다. 차이점은 StringBuilder에는 최종 수정이 없다는 점입니다. 동적으로 변경되었습니다. 다음으로 StringBuilder의 매개변수 없는 구성 방법을 살펴보겠습니다. 코드는 다음과 같습니다.
/**
* Constructs a string builder with no characters in it and an
* initial capacity of 16 characters.
*/
public StringBuilder() { super(16);
}复制代码
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이 방법에서는 AbstractStringBuilder로 이동하여 구성 방법이 다음과 같은지 확인합니다.
/**
* Creates an AbstractStringBuilder of the specified capacity.
*/
AbstractStringBuilder(int capacity) {
value = new char[capacity];
}复制代码
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AbstractStringBuilder의 구성 방법은 내부적으로 용량을 초기화합니다. 즉, StringBuilder는 기본적으로 용량이 16인 char[] 배열을 초기화합니다. 매개변수 없는 구성 외에도 StringBuilder는 여러 구성 방법을 제공합니다. 소스 코드는 다음과 같습니다.
/**
* Constructs a string builder with no characters in it and an
* initial capacity specified by the {@code capacity} argument.
*
* @param capacity the initial capacity.
* @throws NegativeArraySizeException if the {@code capacity}
* argument is less than {@code 0}.
*/
public StringBuilder(int capacity) { super(capacity);
} /**
* Constructs a string builder initialized to the contents of the
* specified string. The initial capacity of the string builder is
* {@code 16} plus the length of the string argument.
*
* @param str the initial contents of the buffer.
*/
public StringBuilder(String str) { super(str.length() + 16);
append(str);
} /**
* Constructs a string builder that contains the same characters
* as the specified {@code CharSequence}. The initial capacity of
* the string builder is {@code 16} plus the length of the
* {@code CharSequence} argument.
*
* @param seq the sequence to copy.
*/
public StringBuilder(CharSequence seq) { this(seq.length() + 16);
append(seq);
}复制代码
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이 코드의 첫 번째 방법은 지정된 용량으로 StringBuilder를 초기화합니다. 다른 두 생성 메서드는 각각 String 및 CharSequence를 전달하여 StringBuilder를 초기화할 수 있습니다. 이 두 생성 메서드의 용량은 16으로 전달된 문자열 길이에 추가됩니다.
1. StringBuilder의 추가 연산 및 확장
이전 글에서 StringBuilder의 추가 메소드를 통해 효율적인 문자열 접합이 수행될 수 있다는 것을 이미 알고 있었습니다. Append(String)를 예로 들면 StringBuilder의 Append는 부모 클래스의 Append 메소드를 호출하는 것을 알 수 있다. 실제로 Append뿐만 아니라 StringBuilder 클래스의 문자열을 연산하는 거의 모든 메소드가 부모 클래스를 통해 구현된다. Append 메소드의 소스코드는 다음과 같습니다.
// StringBuilder
@Override
public StringBuilder append(String str) { super.append(str); return this;
}
// AbstractStringBuilder
public AbstractStringBuilder append(String str) { if (str == null) return appendNull(); int len = str.length();
ensureCapacityInternal(count + len);
str.getChars(0, len, value, count);
count += len; return this;
}复制代码
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Append 메소드의 첫 번째 줄에서는 먼저 Null 검사를 수행하고, Null과 같을 경우 AppendNull 메소드가 호출됩니다. 소스 코드는 다음과 같습니다.
private AbstractStringBuilder appendNull() { int c = count;
ensureCapacityInternal(c + 4); final char[] value = this.value;
value[c++] = 'n';
value[c++] = 'u';
value[c++] = 'l';
value[c++] = 'l';
count = c; return this;
}复制代码
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appendNull 메소드에서는 문자열 배열 용량이 재충전되었는지 확인하기 위해 verifyCapacityInternal이 먼저 호출됩니다. 아래에서 verifyCapacityInternal 메소드를 자세히 분석합니다. 다음으로 char[] 배열 값에 "null" 문자가 추가된 것을 확인할 수 있습니다.
위에서 StringBuilder 내부 배열의 기본 용량은 16이라고 언급했습니다. 따라서 문자열을 이어붙일 때 먼저 char[] 배열의 용량이 충분한지 확인해야 합니다. 따라서 char[] 배열의 용량이 충분한지 확인하기 위해 AppendNull 메서드와 Append 메서드 모두에서 verifyCapacityInternal 메서드를 호출합니다. 용량이 충분하지 않으면 배열이 확장됩니다.
접속된 문자를 해석하는 방법은 다음과 같습니다. 문자열 길이가 문자열 배열의 길이보다 길면 ExpandCapacity를 호출하여 용량을 확장합니다.
void expandCapacity(int minimumCapacity) { int newCapacity = value.length * 2 + 2; if (newCapacity - minimumCapacity < 0)
newCapacity = minimumCapacity; if (newCapacity < 0) { if (minimumCapacity < 0) // overflow
throw new OutOfMemoryError();
newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
}
value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}复制代码
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expandCapacity의 논리도 매우 간단합니다. 먼저 원래 배열의 길이에 2를 곱하고 2를 더하여 확장된 배열 길이를 계산합니다. 다음으로 newCapacity가 maximumCapacity보다 작을 경우 newCapacity에 maximumCapacity 값을 할당한다고 판단한다. ExpandCapacity 메소드가 호출되는 곳이 2곳 이상이므로 안전성을 확보하기 위해 이 코드를 추가합니다.
다음 코드 문장이 매우 흥미롭습니다. newCapacity와 maximumCapacity가 0보다 작을 수 있나요? maximumCapacity가 0보다 작으면 OutOfMemoryError 예외가 발생합니다. 실제로는 범위를 벗어났기 때문에 0보다 작습니다. 우리는 컴퓨터에 저장된 모든 것이 이진수라는 것을 알고 있으며 2를 곱하는 것은 1비트를 왼쪽으로 이동하는 것과 같습니다. 바이트를 예로 들면, 바이트는 8비트로 구성됩니다. 부호 있는 숫자의 가장 왼쪽 비트는 부호 비트입니다. 양수는 0이고 음수는 1입니다. 그러면 바이트가 나타낼 수 있는 크기 범위는 [-128~127]이고 숫자가 127보다 크면 범위를 벗어납니다. 즉, 가장 왼쪽 부호 비트는 다음 비트에서 1로 대체됩니다. 왼쪽에는 음수가 표시됩니다. 물론 byte가 아니라 int이지만 원리는 동일합니다.
public String substring(int start, int end) { if (start < 0) throw new StringIndexOutOfBoundsException(start); if (end > count) throw new StringIndexOutOfBoundsException(end); if (start > end) throw new StringIndexOutOfBoundsException(end - start); return new String(value, start, end - start);
}复制代码
public String(char value[], int offset, int count) { if (offset < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
} if (count < 0) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
} // Note: offset or count might be near -1>>>1.
if (offset > value.length - count) { throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
} this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}复制代码
@Override
public synchronized String toString() { if (toStringCache == null) {
toStringCache = Arrays.copyOfRange(value, 0, count);
} return new String(toStringCache, true);
}复制代码
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这个方法中首先判断当toStringCache 为null时会通过 Arrays.copyOfRange方法对其进行赋值，Arrays.copyOfRange方法上边已经分析过了，他会重新实例化一个char[]数组，并将原数组赋值到新数组中。这样做有什么影响呢？细细思考一下不难发现在不修改StringBuffer的前提下，多次调用StringBuffer的toString方法，生成的String对象都共用了同一个字符数组--toStringCache。这里是StringBuffer和StringBuilder的一点区别。至于StringBuffer中为什么这么做其实并没有很明确的原因，可以参考StackOverRun
《Why StringBuffer has a toStringCache while StringBuilder not?》中的一个回答:
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