Go：如何高效地拼接字符串

不久前，因為一些原因，我們決定用 Go 語言對一個 Java 項目進行重構(gòu)。這個項目的業(yè)務(wù)非常簡單，在實現(xiàn)簡單業(yè)務(wù)的簡單功能時，需要將幾組短字符串按順序拼接成一個長字符串。毋庸置疑，使用 + 操作符，是常用的字符串拼接方法，這在很多編程語言中都適用，Go 也不例外。

功能重構(gòu)很快完成了，但在代碼 review 環(huán)節(jié)時，對新語言的好奇心頻頻冒出，Go 語言中是否有其他更為高級或者靈活的方法呢？經(jīng)過一番調(diào)研嘗試，初步得出使用 strings.Builder 是性能最優(yōu)的結(jié)論，于是，決定用它替換 + 操作符，并部署到線上。

幾個月后，該項目在原基礎(chǔ)上需求有所增加。再次面對該代碼，心情也發(fā)生了變化，使用 strings.Builder 固然可行，但它需要三行代碼，相比之下，用 + 操作符一行代碼便能實現(xiàn)。在簡潔性和高效性之間，該如何抉擇呢？Go 語言中，是否有魚和熊掌兼得的方法？

抱著這樣的心思，我總結(jié)出 Go 語言中至少有 6 種關(guān)于字符串的拼接方式。但新問題也隨之產(chǎn)生了，為何 Go 語言支持如此多種拼接方式？每種方式的存在，其背后的原因和邏輯又是什么呢？

讓我們先分兩種常用場景、兩種字符串長度進行對比看看。

一、不同情景下的效率測試

待拼接字符串長度、次數(shù)已知，可一次完成字符串拼接，測試結(jié)果如下：

• 32 字節(jié)以下。
• 超過 32 字節(jié)，未超過 64 字節(jié)。+ 操作符發(fā)生了一次內(nèi)存分配，但效率依然很高。bytes.Buffer 高于 strings.Builder。
• 64 字節(jié)以上。+ 操作符優(yōu)勢依然明顯，strings.Join() 也不甘示弱。

待拼接字符串長度、次數(shù)未知，需要循環(huán)追加完成拼接操作，測試結(jié)果如下：

• 32 字節(jié)以下。+ 每次拼接都會生成新字符串，導(dǎo)致大量的字符串創(chuàng)建、替代。
  
• 超過 32 字節(jié)，未超過 64 字節(jié)。bytes.Buffer 發(fā)生 2 次內(nèi)存分配。
  
• 64 字節(jié)以上。bytes.Buffer 優(yōu)勢已然不再， strings.Builder 一騎絕塵。不過，這似乎還不是最終的結(jié)果。
• 大量字符串拼接，終于要使出 strings.Builder 的必殺器 Grow() 了，bytes.Buffer 也有 Grow() 方法，但似乎作用不大。

二、原理分析

從上面的測試結(jié)果可以看出，在不同情況下，每種拼接方式的效率都不同，為什么會這樣呢？那就得從它們的拼接原理說起。

• + 操作符，也叫級聯(lián)符。它使用簡單、應(yīng)用廣泛。

    res := "發(fā)" + "發(fā)"
  

  拼接過程：
  1.編譯器將字符串轉(zhuǎn)換成字符數(shù)組后調(diào)用 runtime/string.go 的 concatstrings() 函數(shù)
  2.在函數(shù)內(nèi)遍歷字符數(shù)組，得到總長度
  3.如果字符數(shù)組總長度未超過預(yù)留 buf(32字節(jié))，使用預(yù)留，反之，生成新的字符數(shù)組，根據(jù)總長度一次性分配內(nèi)存空間
  4.將字符串逐個拷貝到新數(shù)組，并銷毀舊數(shù)組

• += 追加操作符，與 + 操作符相同，也是通過 runtime/string.go的concatstrings() 函數(shù)實現(xiàn)拼接，區(qū)別是它通常用于循環(huán)中往字符串末尾追加，每追加一次，生成一個新的字符串替代舊的，效率極低。

    res := "發(fā)"
    res += "發(fā)"
  

  拼接過程：
  1.同上

• bytes.Buffer ，在 Golang 1.10 之前，它是循環(huán)中往末尾追加效率最高的方法，尤其是當(dāng)拼接的字符串?dāng)?shù)量較大時。

     var b bytes.Buffer    // 創(chuàng)建一個 buffer
     b.WriteString("發(fā)")   // 將字符串追加到buffer上 
     b.WriteString("發(fā)")   
     b.String()            // 取出字符串并返回
  

  拼接過程：
  1.創(chuàng)建 []byte ，用于緩存需要拼接的字符串
  2.首次使用 WriteString() 填充字符串時，由于字節(jié)數(shù)組容量為 0 ，最少會發(fā)生 1 次內(nèi)存分配
  3.待拼接字符串長度小于 64 字節(jié)，make 一個長度為字符串總長度，容量為 64 字節(jié)的新數(shù)組
  4.待拼接字符串超過 64 字節(jié)時動態(tài)擴容，按 2* 當(dāng)前容量 + 待拼接字符長度 make 新字節(jié)數(shù)組
  5.將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成 string 類型返回

• strings.Builder 在 Golang 1.10 更新后，替代了byte.Buffer，成為號稱效率最高的拼接方法。

    var b strings.Builder  
    b.WriteString("發(fā)")   
    b.WriteString("發(fā)")
    b.String()
  

  拼接過程：
  1.創(chuàng)建 []byte，用于緩存需要拼接的字符串
  2.通過 append 將數(shù)據(jù)填充到前面創(chuàng)建的 []byte 中
  3.append 時，如果字符串超過初始容量 8 且小于 1024 字節(jié)時，按乘以 2 的容量創(chuàng)建新的字節(jié)數(shù)組，超過 1024 字節(jié)時，按 1/4 增加
  4.將老數(shù)據(jù)復(fù)制到新創(chuàng)建的字節(jié)數(shù)組中 5.追加新數(shù)據(jù)并返回

• strings.Join() 主要適用于以指定分隔符方式連接成一個新字符串，分隔符可以為空，在字符串一次拼接操作中，性能僅次于 + 操作符。

    strings.Join([]string{"發(fā)", "發(fā)"}, "")
  

  拼接過程：
  1.接收的是一個字符切片
  2.遍歷字符切片得到總長度，據(jù)此通過 builder.Grow 分配內(nèi)存
  3.底層使用了 strings.Builder，每使用一次 strings.Join() ，都會創(chuàng)建新的 builder 對象

• fmt.Sprintf()，返回使用 format 格式化的參數(shù)。除了字符串拼接，函數(shù)內(nèi)還有很多格式方面的判斷，性能不高，但它可以拼接多種類型，字符串或數(shù)字等。

    fmt.Sprintf("str1 = %v,str2 = %v", "發(fā)", "發(fā)")
  

  拼接過程:
  1.創(chuàng)建對象
  2.字符串格式化操作
  3.將格式化后的字符串通過 append 方式放到[] byte 中
  4.最后將字節(jié)數(shù)組轉(zhuǎn)換成 string 返回

三、結(jié)論

在待拼接字符串確定，可一次完成字符串拼接的情況下，推薦使用 + 操作符，即便 strings.Builder 用 Grow() 方法預(yù)先擴容，其性能也是不如 + 操作符的，另外，Grow()也不可設(shè)置過大。

在拼接字符串不確定、需要循環(huán)追加字符串時，推薦使用 strings.Builder。但在使用時，必須使用 Grow() 預(yù)先擴容，否則性能不如 strings.Join()。