深入理解 StringBuilder

2019-11-08 18:36:32

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供稿：網(wǎng)友

public sealed class StringBuilder : ISerializable位于:System.Text命名空間中。StringBuilder僅實(shí)現(xiàn)ISerializable接口，直接派生自O(shè)bject，相對(duì)于String類型其功能不太完善，如ToUpper、SubString、foreach遍歷每個(gè)字符等等，后面介紹如何擴(kuò)展其功能。它是密封類型，不能通過派生它的子類來改變其行為。StringBuilder能夠動(dòng)態(tài)高效的構(gòu)建字符串、修改字符串，不能保證所有實(shí)例成員都是線程安全的，盡管在類型定義中加入了很多線程安全的控制，如果要確保其線程安全，須手工實(shí)現(xiàn)線程同步機(jī)制。StringBuilder內(nèi)部維護(hù)的是一個(gè)String對(duì)象，在String類型所在的程序外部，String表現(xiàn)出不變性，但在String類型的內(nèi)部，定義了一些改變String對(duì)象的方法，聲明為internal，這些方法供StringBuilder等調(diào)用。最大容量(MaxCapacity)：默認(rèn)的最大容量等于int.MaxValue。StringBuilder sb = new StringBuilder(); Console.WriteLine(sb.MaxCapacity); // 2147483647MaxCapacity是只讀屬性，其取值范圍為1~int.MaxValue，如果想設(shè)定自己的最大容量，StringBuild提供了一個(gè)構(gòu)造方法：public StringBuilder(int capacity, int maxCapacity)在構(gòu)造StringBuilder對(duì)象時(shí)設(shè)定最大容量值，最大值一旦設(shè)定，將不可改變，如果Append或其它操作使Length大于MaxCapacity將拋出異常。容量(Capacity)：返回StringBuilder的當(dāng)前容量，其取值范圍為：0~MaxCapacity，這個(gè)屬性是可讀寫的，若設(shè)置的值小于Length將拋出異常。長(zhǎng)度(Length)：返回StringBuilder內(nèi)部維護(hù)的當(dāng)前String對(duì)象的長(zhǎng)度，取值范圍：0~MaxCapacity，可變屬性。int.MaxValue >= MaxCapacity >= Capacity >= Length >=0 (MaxCapacity >= 1)MaxCapacity只是一個(gè)Capacity和Length的范圍約束，Capacity是StringBuilder內(nèi)部字符串實(shí)際分配內(nèi)存的大小，Length是StringBuilder內(nèi)部字符串的有效字符的數(shù)量。Capacity的變化規(guī)律StringBuilder的Capacity屬性的取值范圍是：0~MaxCapacity；默認(rèn)大小為：16。StringBuilder sb = new StringBuilder(); Console.WriteLine(sb.Capacity); // 16當(dāng)以構(gòu)造方法StringBuilder(String str) 創(chuàng)建StringBuilder對(duì)象時(shí)，Capacity的值可用下面的偽代碼表示：IF str.Length < 16 THEN sb.Capacity = 16 ELSE BEGIN sb.Capacity = 16 WHILE str.Length < sb.Capacity sb.Capacity *= 2 END示例：StringBuilder sb = new StringBuilder(new string('a', 16)); Console.WriteLine(sb.Capacity); // 16 StringBuilder sb1 = new StringBuilder(new string('a', 18)); Console.WriteLine(sb1.Capacity); // 32Append等擴(kuò)充字符串操作時(shí)，如果結(jié)果字符串的長(zhǎng)度大于Capacity，則Capacity加倍；如果加倍后的Capacity還不足以容納結(jié)果字符串，則Capacity的值等于結(jié)果字符串的長(zhǎng)度。StringBuilder sb1 = new StringBuilder(new string('a', 18)); Console.WriteLine(sb1.Capacity); // 32 Console.WriteLine(sb1.Append(new string('b', 18)).Capacity); // 64 (32 * 2) Console.WriteLine(sb1.Append(new string('c', 100)).Capacity); // 136 (result.Length) Console.WriteLine(sb1.Append(new string('d', 100)).Capacity); // 272 (136 * 2)實(shí)現(xiàn)原理：StringBuilder維護(hù)一個(gè)長(zhǎng)度等于Capacity的字符串(可以看作字符數(shù)組)，當(dāng)Capacity長(zhǎng)度的字符串不足以容納結(jié)果字符串時(shí)，StringBuilder開辟新的長(zhǎng)度為經(jīng)過上面的規(guī)則計(jì)算好的Capacity的內(nèi)存區(qū)域，將原字符串復(fù)制到新的內(nèi)存區(qū)域再進(jìn)行操作，原字符串區(qū)域交給GC回收。因此這里也涉及到內(nèi)存的分配與回收，使用StringBuilder時(shí)最好估算一下所需容量，用這個(gè)容量初始化Capacity，提高性能。StringBuilder內(nèi)字符串的垃圾數(shù)據(jù)字符串在內(nèi)存中是順序存儲(chǔ)的。StringBuilder內(nèi)部字符串的可用長(zhǎng)度是Capacity，有效字符數(shù)是Length。剛剛構(gòu)造StringBuilder后Length到Capacity的范圍，都保留內(nèi)存中的原垃圾數(shù)據(jù)。初始化后顯式增大Capacity大小后，增大的部分內(nèi)存保留原垃圾數(shù)據(jù)。系統(tǒng)自動(dòng)擴(kuò)大容量，Length到Capacity的部分將清空內(nèi)存中原垃圾數(shù)據(jù)為'/0'。設(shè)置StringBuilder長(zhǎng)度時(shí)，若新設(shè)置的Lenght小于原Length，字符串將被截?cái)啵翷ength到原Length的部分填充空字符'/0'；若新設(shè)置的Lenght大于原Length，原Lenght到新Length的部分填充空字符'/0'。由于字符串在內(nèi)存中是順序存儲(chǔ)的，可用下面的方法查看StringBuilder內(nèi)部字符串內(nèi)存中的數(shù)據(jù)：unsafe static void ShowContent(StringBuilder sb) { fixed(char* ch = sb.ToString()) { for(int i = 0; i < sb.Capacity; i++) { Console.Write((int)ch[i] + " "); } } }ToString方法由下面的示例代碼可以看出，每調(diào)用一次ToString()，獲得的String對(duì)象引用都會(huì)變化。static void Main(string[] args) { StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello StringBuilder!"); ShowAddress(sb.ToString()); // 20656316 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666276 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666372 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666468 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666564 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666660 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666756 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666852 ShowAddress(sb.ToString()); // 20666948 ShowAddress(sb.ToString()); // 20667044 } public unsafe static void ShowAddress(string s) { fixed (char* p = s) { Console.WriteLine((int)p); } }為得出原因，Reflector查看，是如下代碼：public override string ToString() { string stringValue = this.m_StringValue; if (this.m_currentThread != Thread.InternalGetCurrentThread()) { return string.InternalCopy(stringValue); } if ((2 * stringValue.Length) < stringValue.ArrayLength) { return string.InternalCopy(stringValue); } stringValue.ClearPostNullChar(); this.m_currentThread = IntPtr.Zero; return stringValue; }1.看來ToString()方法對(duì)線程安全進(jìn)行控制了，如果不是當(dāng)前線程訪問，返回字符串的拷貝。2.ArrayLength應(yīng)該就是Capacity了，如果長(zhǎng)度小于Capacity的1/2，為優(yōu)化性能，返回字符串的新的拷貝。3.以上條件不滿足，返回StringBuilder內(nèi)部字符串。但調(diào)用一次ToString()后，執(zhí)行了this.m_currentThread = IntPtr.Zero; ，如果再緊接著執(zhí)行ToString()會(huì)返回新的字符串。要返回StringBuilder內(nèi)部字符串的真實(shí)地址，可用反射或序列化取得StringBuilder內(nèi)的字符串的引用，再取字符串的地址，StringBuilder內(nèi)字符串聲明為:internal volatile string m_StringValue;StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello StringBuilder!"); ShowAddress(sb.ToString()); // 21075152 ShowAddress(sb.ToString()); // 21117944 ShowAddress(sb.ToString()); // 21118040 ShowAddress(sb.ToString()); // 21075152 SerializationInfo info = new SerializationInfo( typeof(StringBuilder), new FormatterConverter()); ((ISerializable)sb).GetObjectData( info, new StreamingContext()); String s = info.GetString("m_StringValue"); ShowAddress(s); // 21075152可見，第一次調(diào)用ToString()方法非常高效，直接返回StringBuilder內(nèi)字符串的引用。如果沒有重新取得m_currentThread，接下來的調(diào)用會(huì)拷貝構(gòu)造新的字符串。CLR會(huì)記錄該StringBuilder維護(hù)的String已被引用，如果試圖對(duì)其修改，StringBuilder會(huì)重新分配內(nèi)存區(qū)域，將原字符串拷貝到新的內(nèi)存區(qū)域然后進(jìn)行修改。ToString重載的另一個(gè)版本原型為：public string ToString(int startIndex, int length)會(huì)構(gòu)造新的字符串，新字符串值為：起始索引為startIndex，長(zhǎng)度為length的子字符串，這個(gè)重載能實(shí)現(xiàn)String中的SubString的功能。EnsureCapacity確保最小的容量不小于給定的數(shù)值。如果給定的數(shù)值值小于目前的Capacity，則忽略給定的數(shù)值；如果給定的數(shù)值大于Capacity，則設(shè)置Capacity為給定的數(shù)值。 AppendFormat有時(shí)感覺StringBuilder連接字符串不如String連接方便，如果用AppendFormat會(huì)方便很多，使用方法跟String.Format相似，這個(gè)方法保證了字符串連接的優(yōu)雅與高效。不知道大家有沒有注意到，Append、AppendFormat、AppendLine、Insert、Remove、Replace等方法對(duì)StringBuild對(duì)象操作完成后都返回StringBuilder自身，這樣的設(shè)計(jì)便于進(jìn)行一連串的操作。如：StringBuilder sb0 = new StringBuilder("abc",10); string s = sb0.Append("abc"). Replace("ca", "--"). Insert(0, "String:"). ToString();擴(kuò)展StringBuilder的操作StringBuilder與String相比，非常多的操作沒有實(shí)現(xiàn)，可以調(diào)用ToString()后再進(jìn)行操作，但這樣會(huì)影響效率；也可以用擴(kuò)展方法來擴(kuò)展其操作；既然上面能取得StringBuilder成員m_StringValue的值，可以直接用所有String的方法來處理判斷，但這樣會(huì)造成一些問題，不推薦這樣做。擴(kuò)展StringBuilder，如foreach遍歷所有字符、每個(gè)字符字符轉(zhuǎn)換為其對(duì)應(yīng)的大寫字符示例：static class PRogram { static void Main(string[] args) { StringBuilder sb = new StringBuilder("Hello StringBuilder!"); foreach (var c in sb.GetEnumerator()) { Console.WriteLine(c); } Console.WriteLine(sb.ToUpper()); Console.ReadKey(); } static IEnumerable<Char> GetEnumerator(this StringBuilder sb) { for (var i = 0; i < sb.Length; i++) { yield return sb[i]; } } static StringBuilder ToUpper(this StringBuilder sb) { for (var i = 0; i < sb.Length; i++) { sb[i] = Char.ToUpper(sb[i]); } return sb; } }

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