Java中的字符串拼接性能优化详解

1. 字符串拼接的背景与问题

在Java中，字符串是不可变对象（由final修饰的char[]存储数据），每次对字符串的修改（如拼接）都会生成新的字符串对象。频繁拼接字符串可能导致以下问题：

• 内存开销大：产生大量中间临时对象，增加垃圾回收（GC）压力。
• 性能低下：反复分配内存、复制数据，时间复杂度为O(n²)。

2. 字符串拼接的常见方式

（1）使用+运算符

String s = "a" + "b" + "c";  

• 编译期优化：若拼接的均为字面量（如"a"+"b"），编译器会直接合并成"abc"，无运行时开销。
• 运行时拼接：若拼接包含变量（如str1 + str2），编译器会将其转换为StringBuilder操作（JDK 5+），但每次循环会新建StringBuilder对象：

  // 反编译后等效代码
  StringBuilder temp = new StringBuilder();
  temp.append("a").append("b").append("c");
  String s = temp.toString();
  

  陷阱示例：

  String result = "";
  for (int i = 0; i < 1000; i++) {
      result += i; // 等价于 new StringBuilder(result).append(i).toString()
  }
  

  每次循环创建StringBuilder并复制result的内容，效率极低。

（2）使用StringBuilder或StringBuffer

• StringBuilder：非线程安全，性能更高（推荐单线程使用）。
• StringBuffer：线程安全（方法用synchronized修饰），性能稍差。

StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    sb.append(i);
}
String result = sb.toString(); // 仅一次内存分配

优势：

• 避免中间对象生成，内存分配次数从O(n)降至O(1)。
• 可预设容量（new StringBuilder(initialCapacity)）避免扩容时的数组复制。

（3）使用String.join()或StringJoiner（JDK 8+）

适用于拼接带分隔符的字符串序列：

List<String> list = Arrays.asList("a", "b", "c");
String result = String.join(",", list); // 内部使用StringJoiner

（4）使用String.concat()

String s = "a".concat("b").concat("c");  

• 每次调用生成新字符串，性能与+类似，不适用于循环拼接。

3. 性能对比与优化建议

（1）性能对比（从高到低）

1. 预设容量的StringBuilder：避免扩容开销。
2. 默认StringBuilder：平衡易用性与性能。
3. StringBuffer：需线程安全时使用。
4. +运算符（非循环场景）：代码简洁，编译器已优化。
5. String.concat()或循环内+：性能最差。

（2）优化实践

• 循环拼接必用StringBuilder：

  StringBuilder sb = new StringBuilder(1000); // 预设容量
  for (String item : list) {
      sb.append(item);
  }
  

• 避免在日志输出中使用+：

  // 错误示例（即使日志级别关闭也会执行拼接）
  logger.debug("User: " + user + " action: " + action);
  // 正确示例（使用占位符或延迟计算）
  logger.debug("User: {} action: {}", user, action);
  

• 字符串集合拼接优先用StringJoiner：代码更简洁。

4. 底层原理：StringBuilder的扩容机制

• 默认容量为16字符，扩容公式：新容量 = 旧容量 * 2 + 2。
• 扩容时需复制原字符数组，预设容量可减少复制次数。

5. 总结

• 简单拼接用+，循环拼接用StringBuilder，带分隔符用StringJoiner。
• 线程安全需求选StringBuffer，无需求选StringBuilder。
• 避免在频繁调用的代码路径中滥用字符串拼接。