深入理解 StringBuilder

2019-11-08 18:36:32

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供稿：网友

public sealed class StringBuilder : ISerializable位于:System.Text命名空间中。StringBuilder仅实现ISerializable接口，直接派生自Object，相对于String类型其功能不太完善，如ToUpper、SubString、foreach遍历每个字符等等，后面介绍如何扩展其功能。它是密封类型，不能通过派生它的子类来改变其行为。StringBuilder能够动态高效的构建字符串、修改字符串，不能保证所有实例成员都是线程安全的，尽管在类型定义中加入了很多线程安全的控制，如果要确保其线程安全，须手工实现线程同步机制。StringBuilder内部维护的是一个String对象，在String类型所在的程序外部，String表现出不变性，但在String类型的内部，定义了一些改变String对象的方法，声明为internal，这些方法供StringBuilder等调用。最大容量(MaxCapacity)：默认的最大容量等于int.MaxValue。StringBuilder sb = new StringBuilder(); Console.WriteLine(sb.MaxCapacity); // 2147483647MaxCapacity是只读属性，其取值范围为1~int.MaxValue，如果想设定自己的最大容量，StringBuild提供了一个构造方法：public StringBuilder(int capacity, int maxCapacity)在构造StringBuilder对象时设定最大容量值，最大值一旦设定，将不可改变，如果Append或其它操作使Length大于MaxCapacity将抛出异常。容量(Capacity)：返回StringBuilder的当前容量，其取值范围为：0~MaxCapacity，这个属性是可读写的，若设置的值小于Length将抛出异常。长度(Length)：返回StringBuilder内部维护的当前String对象的长度，取值范围：0~MaxCapacity，可变属性。int.MaxValue >= MaxCapacity >= Capacity >= Length >=0 (MaxCapacity >= 1)MaxCapacity只是一个Capacity和Length的范围约束，Capacity是StringBuilder内部字符串实际分配内存的大小，Length是StringBuilder内部字符串的有效字符的数量。Capacity的变化规律StringBuilder的Capacity属性的取值范围是：0~MaxCapacity；默认大小为：16。StringBuilder sb = new StringBuilder(); Console.WriteLine(sb.Capacity); // 16当以构造方法StringBuilder(String str) 创建StringBuilder对象时，Capacity的值可用下面的伪代码表示：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等扩充字符串操作时，如果结果字符串的长度大于Capacity，则Capacity加倍；如果加倍后的Capacity还不足以容纳结果字符串，则Capacity的值等于结果字符串的长度。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)实现原理：StringBuilder维护一个长度等于Capacity的字符串(可以看作字符数组)，当Capacity长度的字符串不足以容纳结果字符串时，StringBuilder开辟新的长度为经过上面的规则计算好的Capacity的内存区域，将原字符串复制到新的内存区域再进行操作，原字符串区域交给GC回收。因此这里也涉及到内存的分配与回收，使用StringBuilder时最好估算一下所需容量，用这个容量初始化Capacity，提高性能。StringBuilder内字符串的垃圾数据字符串在内存中是顺序存储的。StringBuilder内部字符串的可用长度是Capacity，有效字符数是Length。刚刚构造StringBuilder后Length到Capacity的范围，都保留内存中的原垃圾数据。初始化后显式增大Capacity大小后，增大的部分内存保留原垃圾数据。系统自动扩大容量，Length到Capacity的部分将清空内存中原垃圾数据为'/0'。设置StringBuilder长度时，若新设置的Lenght小于原Length，字符串将被截断，新Length到原Length的部分填充空字符'/0'；若新设置的Lenght大于原Length，原Lenght到新Length的部分填充空字符'/0'。由于字符串在内存中是顺序存储的，可用下面的方法查看StringBuilder内部字符串内存中的数据：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码可以看出，每调用一次ToString()，获得的String对象引用都会变化。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); } }为得出原因，Reflector查看，是如下代码：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.看来ToString()方法对线程安全进行控制了，如果不是当前线程访问，返回字符串的拷贝。2.ArrayLength应该就是Capacity了，如果长度小于Capacity的1/2，为优化性能，返回字符串的新的拷贝。3.以上条件不满足，返回StringBuilder内部字符串。但调用一次ToString()后，执行了this.m_currentThread = IntPtr.Zero; ，如果再紧接着执行ToString()会返回新的字符串。要返回StringBuilder内部字符串的真实地址，可用反射或序列化取得StringBuilder内的字符串的引用，再取字符串的地址，StringBuilder内字符串声明为: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可见，第一次调用ToString()方法非常高效，直接返回StringBuilder内字符串的引用。如果没有重新取得m_currentThread，接下来的调用会拷贝构造新的字符串。CLR会记录该StringBuilder维护的String已被引用，如果试图对其修改，StringBuilder会重新分配内存区域，将原字符串拷贝到新的内存区域然后进行修改。ToString重载的另一个版本原型为：public string ToString(int startIndex, int length)会构造新的字符串，新字符串值为：起始索引为startIndex，长度为length的子字符串，这个重载能实现String中的SubString的功能。EnsureCapacity确保最小的容量不小于给定的数值。如果给定的数值值小于目前的Capacity，则忽略给定的数值；如果给定的数值大于Capacity，则设置Capacity为给定的数值。 AppendFormat有时感觉StringBuilder连接字符串不如String连接方便，如果用AppendFormat会方便很多，使用方法跟String.Format相似，这个方法保证了字符串连接的优雅与高效。不知道大家有没有注意到，Append、AppendFormat、AppendLine、Insert、Remove、Replace等方法对StringBuild对象操作完成后都返回StringBuilder自身，这样的设计便于进行一连串的操作。如：StringBuilder sb0 = new StringBuilder("abc",10); string s = sb0.Append("abc"). Replace("ca", "--"). Insert(0, "String:"). ToString();扩展StringBuilder的操作StringBuilder与String相比，非常多的操作没有实现，可以调用ToString()后再进行操作，但这样会影响效率；也可以用扩展方法来扩展其操作；既然上面能取得StringBuilder成员m_StringValue的值，可以直接用所有String的方法来处理判断，但这样会造成一些问题，不推荐这样做。扩展StringBuilder，如foreach遍历所有字符、每个字符字符转换为其对应的大写字符示例：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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