面试题：Java中String、StringBuffer和StringBuilder在多线程环境下的底层实现差异

Question

在多线程环境中，String、StringBuffer和StringBuilder的底层实现机制是如何影响它们的线程安全性和性能的？请结合具体的底层代码实现细节进行分析。

Answer 1

String

1. 底层实现：
   • String类在Java中是不可变的，其底层使用char数组存储字符串内容，并且final修饰，一旦创建不可改变。例如：

   public final class String
       implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
       private final char value[];
       // 其他代码
   }
   

2. 线程安全性：
   • 由于其不可变性，String是线程安全的。多个线程同时访问同一个String对象时，不会出现数据竞争问题，因为String对象的状态不会改变。
3. 性能：
   • 当对String进行频繁修改操作时（如拼接等），性能较差。因为每次修改都会创建新的String对象，例如String s = "a" + "b" + "c";，实际上会创建多个中间的String对象，消耗额外的内存和时间。

StringBuffer

1. 底层实现：
   • StringBuffer类继承自AbstractStringBuilder，底层也是通过char数组存储字符串，但是这个数组是可变的。例如：

   public final class StringBuffer
       extends AbstractStringBuilder
       implements java.io.Serializable, CharSequence {
       // 继承AbstractStringBuilder的char数组，如：
       // char[] value; 在AbstractStringBuilder中定义
       // 其他代码
   }
   

   • 它的方法很多都使用synchronized关键字修饰，以保证线程安全。例如append方法：

   @Override
   public synchronized StringBuffer append(String str) {
       toStringCache = null;
       super.append(str);
       return this;
   }
   

2. 线程安全性：
   • StringBuffer是线程安全的。因为其关键方法（如append、insert等）都被synchronized修饰，同一时间只有一个线程能访问这些方法，避免了数据竞争。
3. 性能：
   • 由于使用synchronized关键字，在多线程环境下，当一个线程访问StringBuffer的同步方法时，其他线程需要等待，这会导致性能开销。在单线程环境下，相比StringBuilder也会有性能损失，因为不必要的同步操作。

StringBuilder

1. 底层实现：
   • StringBuilder同样继承自AbstractStringBuilder，底层也是可变的char数组。例如：

   public final class StringBuilder
       extends AbstractStringBuilder
       implements java.io.Serializable, CharSequence {
       // 继承AbstractStringBuilder的char数组，如：
       // char[] value; 在AbstractStringBuilder中定义
       // 其他代码
   }
   

   • 它的方法没有使用synchronized修饰。例如append方法：

   @Override
   public StringBuilder append(String str) {
       super.append(str);
       return this;
   }
   

2. 线程安全性：
   • StringBuilder是非线程安全的。因为没有同步机制，多个线程同时访问和修改StringBuilder对象时，可能会出现数据竞争问题，导致结果不可预测。
3. 性能：
   • 在单线程环境或者多线程但不需要同步的情况下，StringBuilder性能优于StringBuffer，因为它没有同步带来的开销。在多线程环境下如果需要同步，就需要额外的同步机制来保证线程安全。