面试题：Java String性能优化之底层存储结构与优化策略

Question

从Java 9开始，String的底层存储结构发生了变化，由char数组改为了byte数组。请详细阐述这种变化对String性能优化的影响，包括但不限于内存占用、字符串操作效率等方面。并针对新的存储结构，提出至少两种在实际项目中优化String性能的策略，且说明每种策略的适用场景和可能带来的风险。

Answer 1

变化对性能优化的影响

1. 内存占用
   • 之前（char数组）：char类型在Java中占2个字节，对于仅包含Latin - 1字符集（即ASCII字符集扩展，0 - 255范围）的字符串，会造成空间浪费。例如，一个只包含英文字母的字符串，本来每个字符用1个字节就可以存储，但char数组每个元素占2个字节。
   • 之后（byte数组）：Java 9引入了byte数组存储字符串，并且使用encoding - flag来标识字符编码。如果字符串仅包含Latin - 1字符，每个字符用1个字节存储，大大减少了内存占用。对于包含非Latin - 1字符的字符串，会采用UTF - 16编码，每个字符仍占2个字节。总体来说，对于大量仅包含Latin - 1字符的字符串场景，内存占用显著降低。
2. 字符串操作效率
   • 读取操作：由于byte数组存储对于Latin - 1字符更紧凑，在读取操作时，如果字符串仅包含Latin - 1字符，从内存读取的数据量减少，缓存命中率可能提高，从而提升读取效率。
   • 写入操作：对于仅包含Latin - 1字符的字符串写入操作，由于占用空间变小，在写入时可能减少内存分页等开销，提升写入效率。但对于包含非Latin - 1字符的字符串，由于需要UTF - 16编码转换，可能在写入操作上略有性能损耗。
   • 拼接操作：StringBuilder和StringBuffer在拼接字符串时，如果是大量Latin - 1字符的字符串，由于底层存储紧凑，拼接过程中的内存复制等操作数据量减少，提升拼接效率。但如果涉及到字符编码转换（如从Latin - 1到UTF - 16或反之），拼接效率可能会受到一定影响。

优化String性能的策略

1. 策略一：使用String的工厂方法优化内存占用
   • 适用场景：当已知字符串内容仅包含Latin - 1字符时，使用String.valueOf(byte[])或String.copyValueOf(byte[])等工厂方法创建String对象。这样可以确保字符串以最紧凑的byte数组（Latin - 1编码）存储，进一步优化内存占用。例如，在处理日志记录中大量的英文字母、数字等仅包含Latin - 1字符的文本时适用。
   • 可能带来的风险：如果错误地将包含非Latin - 1字符的byte数组通过这些方法创建String对象，会导致字符编码错误，出现乱码等问题。
2. 策略二：避免不必要的字符编码转换
   • 适用场景：在字符串处理过程中，如果明确知道字符串的编码类型且不会改变，尽量避免进行不必要的编码转换操作。例如，在处理从文件读取的固定编码格式（如UTF - 8且仅包含Latin - 1字符子集）的字符串数据时，在整个处理流程中保持其编码一致性，避免转换为其他编码。这样可以减少由于编码转换带来的性能开销。
   • 可能带来的风险：如果后续需要与其他使用不同编码的模块交互，而未进行适当的编码转换，可能导致数据不一致或无法正确处理的问题。例如，在与外部API交互时，API期望的是UTF - 16编码，而本地数据一直保持Latin - 1编码，就会出现问题。