面试题：Java中String、StringBuffer和StringBuilder底层实现差异之内存分配

Question

请阐述Java中String、StringBuffer和StringBuilder在内存分配方式上有何不同？为什么会有这样的差异，对程序性能有什么影响？

Answer 1

内存分配方式不同点

1. String：String类是不可变的，每次对String的修改操作（如拼接、替换等）都会创建一个新的String对象。例如 String s = "abc"; s = s + "def";，在执行 s = s + "def"; 时，会在堆内存中创建一个新的包含 "abcdef" 的String对象，原 "abc" 对象不会改变。因为String对象一旦创建，其值就不能被修改，常量池会缓存相同的字符串常量。
2. StringBuffer：StringBuffer是可变的字符序列，它内部维护一个字符数组，初始容量为16（如果构造时指定了初始容量则为指定值）。当字符串长度超过当前容量时，会进行扩容操作，重新分配内存。例如 StringBuffer sb = new StringBuffer(); sb.append("abc");，"abc" 直接添加到内部字符数组中。
3. StringBuilder：与StringBuffer类似，也是可变的字符序列，同样基于字符数组实现，初始容量也为16（构造时可指定）。其内存分配方式和扩容机制与StringBuffer基本相同。

产生差异的原因

1. String：设计成不可变主要是为了保证字符串常量池的安全性和高效性。因为字符串在Java中被广泛使用，很多地方（如类加载、反射等）都依赖字符串的不变性来实现高效缓存和安全访问。不可变特性也使得String对象可以在多线程环境下安全共享，不需要额外的同步机制。
2. StringBuffer和StringBuilder：它们设计为可变，是为了满足在需要频繁修改字符串的场景下，避免像String那样频繁创建新对象带来的性能开销。它们可以直接在原有的字符数组上进行操作，通过扩容机制来适应不断增加的字符。StringBuffer是线程安全的，它的方法都使用 synchronized 关键字修饰，而StringBuilder是非线程安全的，因此性能上比StringBuffer略高。

对程序性能的影响

1. String：由于每次修改都会创建新对象，在频繁修改字符串的场景下，会产生大量临时对象，增加垃圾回收的压力，导致性能下降。例如在一个循环中进行字符串拼接 for(int i = 0; i < 1000; i++){ s = s + i; }，会创建1000个新的String对象。
2. StringBuffer：在多线程环境下，如果需要对字符串进行频繁修改，使用StringBuffer可以保证线程安全，但由于其方法同步，性能相对较低。例如在多线程环境下的日志记录，可能会频繁追加字符串，此时使用StringBuffer可以确保数据一致性，但性能不如单线程下的StringBuilder。
3. StringBuilder：在单线程环境下，频繁修改字符串时，使用StringBuilder性能最优，因为它不需要同步操作。例如在单线程的字符串处理算法中，使用StringBuilder可以大大提高处理速度，减少内存开销。