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字串：理解可變性和不變性

Linda Hamilton

Nov 11, 2024 am 03:48 AM

Strings: Understanding Mutability and Immutability

在Java 中，字串經常在應用程式之間進行操作、組合和存儲，因此了解immutable 和mutable 字串處理之間的區別是對於編寫高效的程式碼至關重要。這篇文章探討了 Java 字串中可變性和不可變性的概念，深入探討了為什麼 Java 提供了不同的類，如 String、StringBuilder 和 StringBuffer。

1. Java中字串的不可變性

在Java中，字串是不可變的，這意味著一旦創建了String對象，它的值就無法更改。此屬性對於多線程環境中的安全性、效能和記憶體效率是有益的。不變性確保：

一致性：字串一旦被賦值，它就保持不變。
執行緒安全：多個執行緒可以安全地使用同一個 String 實例，無需同步。
記憶體效率：Java有一個內部字串池來有效地管理String物件。該池儲存每個文字字串的單一副本，並儘可能重複使用它。

範例：

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

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在範例中，連接「World」不會修改原始字串，而是建立一個新字串。在處理重複修改時，這個過程可能會變得低效，我們接下來會看到。

2. 在可變場景中使用字串：缺點

雖然 String 的不變性是一個很有價值的特性，但如果在需要頻繁修改的情況下使用它可能會導致記憶體和效能問題。每次更改 String 時，都會建立一個新對象，這會增加記憶體使用量並增加垃圾收集器的壓力。

考慮這個字母串聯的例子：

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;
}

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說明：

由於 String 的不變性，每次迭代都會建立一個新的 String 對象，因此程式碼的運行時間複雜度為 O(n^2)，效率極低。

此外，這種方法會導致記憶體效率低下，因為每個中間 String 物件都單獨儲存在堆中。這些未使用的物件會累積並導致垃圾收集開銷增加。

3. 可變替代品：StringBuilder 和 StringBuffer

Java 提供了可變替代方案，例如 StringBuilder 和 StringBuffer 來處理字串頻繁修改的情況。

使用 StringBuilder 實現高效率的可變性

StringBuilder 是一個可變類，這意味著它允許就地修改字串。這透過避免創建中間物件來提高效能，使其成為涉及大量字串操作的場景的理想選擇。這是我們之前範例中的工作原理：

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

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這裡，StringBuilder 在整個迴圈中修改同一個物件，導致時間複雜度為 O(n)，使其效率遠高於 String。

需要記住的要點

字串不可變並由字串池支援以實現記憶體最佳化。
StringBuilder 和 StringBuffer 是可變的。 StringBuilder 速度較快，但不是線程安全，而 StringBuffer 是同步且線程安全。
在單執行緒場景中使用StringBuilder且需要頻繁修改。
當需要不變性或期望最小修改時使用字串。