Go语言如何高效的进行字符串拼接(6种方式进行对比分析)

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前言

哈喽,大家好,我是asong

日常业务开发中离不开字符串的拼接操作,不同语言的字符串实现方式都不同,在Go语言中就提供了6种方式进行字符串拼接,那这几种拼接方式该如何选择呢?使用那个更高效呢?本文我们就一起来分析一下。

本文使用Go语言版本:1.17.1

string类型

我们首先来了解一下Go语言中string类型的结构定义,先来看一下官方定义:

// string is the set of all strings of 8-bit bytes, conventionally but not
// necessarily representing UTF-8-encoded text. A string may be empty, but
// not nil. Values of string type are immutable.
type string string

string是一个8位字节的集合,通常但不一定代表UTF-8编码的文本。string可以为空,但是不能为nil。string的值是不能改变的

string类型本质也是一个结构体,定义如下:

type stringStruct struct {
    str unsafe.Pointer
    len int
}

stringStructslice还是很相似的,str指针指向的是某个数组的首地址,len代表的就是数组长度。怎么和slice这么相似,底层指向的也是数组,是什么数组呢?我们看看他在实例化时调用的方法:

//go:nosplit
func gostringnocopy(str *byte) string {
    ss := stringStruct{str: unsafe.Pointer(str), len: findnull(str)}
    s := *(*string)(unsafe.Pointer(&ss))
    return s
}

入参是一个byte类型的指针,从这我们可以看出string类型底层是一个byte类型的数组,所以我们可以画出这样一个图片:

Go语言如何高效的进行字符串拼接(6种方式进行对比分析)_第1张图片

string类型本质上就是一个byte类型的数组,在Go语言中string类型被设计为不可变的,不仅是在Go语言,其他语言中string类型也是被设计为不可变的,这样的好处就是:在并发场景下,我们可以在不加锁的控制下,多次使用同一字符串,在保证高效共享的情况下而不用担心安全问题。

string类型虽然是不能更改的,但是可以被替换,因为stringStruct中的str指针是可以改变的,只是指针指向的内容是不可以改变的,也就说每一个更改字符串,就需要重新分配一次内存,之前分配的空间会被gc回收。

关于string类型的知识点就描述这么多,方便我们后面分析字符串拼接。

字符串拼接的6种方式及原理

原生拼接方式"+"

Go语言原生支持使用+操作符直接对两个字符串进行拼接,使用例子如下:

var s string
s += "asong"
s += "真帅"

这种方式使用起来最简单,基本所有语言都有提供这种方式,使用+操作符进行拼接时,会对字符串进行遍历,计算并开辟一个新的空间来存储原来的两个字符串。

字符串格式化函数fmt.Sprintf

Go语言中默认使用函数fmt.Sprintf进行字符串格式化,所以也可使用这种方式进行字符串拼接:

str := "asong"
str = fmt.Sprintf("%s%s", str, str)

fmt.Sprintf实现原理主要是使用到了反射,具体源码分析因为篇幅的原因就不在这里详细分析了,看到反射,就会产生性能的损耗,你们懂得!!!

Strings.builder

Go语言提供了一个专门操作字符串的库strings,使用strings.Builder可以进行字符串拼接,提供了writeString方法拼接字符串,使用方式如下:

var builder strings.Builder
builder.WriteString("asong")
builder.String()

strings.builder的实现原理很简单,结构如下:

type Builder struct {
    addr *Builder // of receiver, to detect copies by value
    buf  []byte // 1
}

addr字段主要是做copycheckbuf字段是一个byte类型的切片,这个就是用来存放字符串内容的,提供的writeString()方法就是像切片buf中追加数据:

func (b *Builder) WriteString(s string) (int, error) {
    b.copyCheck()
    b.buf = append(b.buf, s...)
    return len(s), nil
}

提供的String方法就是将[]]byte转换为string类型,这里为了避免内存拷贝的问题,使用了强制转换来避免内存拷贝:

func (b *Builder) String() string {
    return *(*string)(unsafe.Pointer(&b.buf))
}

bytes.Buffer

因为string类型底层就是一个byte数组,所以我们就可以Go语言的bytes.Buffer进行字符串拼接。bytes.Buffer是一个一个缓冲byte类型的缓冲器,这个缓冲器里存放着都是byte。使用方式如下:

buf := new(bytes.Buffer)
buf.WriteString("asong")
buf.String()

bytes.buffer底层也是一个[]byte切片,结构体如下:

type Buffer struct {
    buf      []byte // contents are the bytes buf[off : len(buf)]
    off      int    // read at &buf[off], write at &buf[len(buf)]
    lastRead readOp // last read operation, so that Unread* can work correctly.
}

因为bytes.Buffer可以持续向Buffer尾部写入数据,从Buffer头部读取数据,所以off字段用来记录读取位置,再利用切片的cap特性来知道写入位置,这个不是本次的重点,重点看一下WriteString方法是如何拼接字符串的:

func (b *Buffer) WriteString(s string) (n int, err error) {
    b.lastRead = opInvalid
    m, ok := b.tryGrowByReslice(len(s))
    if !ok {
        m = b.grow(len(s))
    }
    return copy(b.buf[m:], s), nil
}

切片在创建时并不会申请内存块,只有在往里写数据时才会申请,首次申请的大小即为写入数据的大小。如果写入的数据小于64字节,则按64字节申请。采用动态扩展slice的机制,字符串追加采用copy的方式将追加的部分拷贝到尾部,copy是内置的拷贝函数,可以减少内存分配。

但是在将[]byte转换为string类型依旧使用了标准类型,所以会发生内存分配:

func (b *Buffer) String() string {
    if b == nil {
        // Special case, useful in debugging.
        return ""
    }
    return string(b.buf[b.off:])
}

strings.join

Strings.join方法可以将一个string类型的切片拼接成一个字符串,可以定义连接操作符,使用如下:

baseSlice := []string{"asong", "真帅"}
strings.Join(baseSlice, "")

strings.join也是基于strings.builder来实现的,代码如下:

func Join(elems []string, sep string) string {
    switch len(elems) {
    case 0:
        return ""
    case 1:
        return elems[0]
    }
    n := len(sep) * (len(elems) - 1)
    for i := 0; i < len(elems); i++ {
        n += len(elems[i])
    }

    var b Builder
    b.Grow(n)
    b.WriteString(elems[0])
    for _, s := range elems[1:] {
        b.WriteString(sep)
        b.WriteString(s)
    }
    return b.String()
}

唯一不同在于在join方法内调用了b.Grow(n)方法,这个是进行初步的容量分配,而前面计算的n的长度就是我们要拼接的slice的长度,因为我们传入切片长度固定,所以提前进行容量分配可以减少内存分配,很高效。

切片append

因为string类型底层也是byte类型数组,所以我们可以重新声明一个切片,使用append进行字符串拼接,使用方式如下:

buf := make([]byte, 0)
base = "asong"
buf = append(buf, base...)
string(base)

如果想减少内存分配,在将[]byte转换为string类型时可以考虑使用强制转换。

Benchmark对比

上面我们总共提供了6种方法,原理我们基本知道了,那么我们就使用Go语言中的Benchmark来分析一下到底哪种字符串拼接方式更高效。我们主要分两种情况进行分析:

  • 少量字符串拼接
  • 大量字符串拼接

因为代码量有点多,下面只贴出分析结果,详细代码已经上传githubhttps://github.com/asong2020/...

我们先定义一个基础字符串:

var base  = "123456789qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmQWERTYUIOPASFGHJKLZXCVBNM"

少量字符串拼接的测试我们就采用拼接一次的方式验证,base拼接base,因此得出benckmark结果:

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/once
cpu: Intel(R) Core(TM) i9-9880H CPU @ 2.30GHz
BenchmarkSumString-16           21338802                49.19 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkSprintfString-16        7887808               140.5 ns/op           160 B/op          3 allocs/op
BenchmarkBuilderString-16       27084855                41.39 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkBytesBuffString-16      9546277               126.0 ns/op           384 B/op          3 allocs/op
BenchmarkJoinstring-16          24617538                48.21 ns/op          128 B/op          1 allocs/op
BenchmarkByteSliceString-16     10347416               112.7 ns/op           320 B/op          3 allocs/op
PASS
ok      asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/once     8.412s

大量字符串拼接的测试我们先构建一个长度为200的字符串切片:

var baseSlice []string
for i := 0; i < 200; i++ {
        baseSlice = append(baseSlice, base)
}

然后遍历这个切片不断的进行拼接,因为可以得出benchmark:

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/muliti
cpu: Intel(R) Core(TM) i9-9880H CPU @ 2.30GHz
BenchmarkSumString-16                       7396            163612 ns/op         1277713 B/op        199 allocs/op
BenchmarkSprintfString-16                   5946            202230 ns/op         1288552 B/op        600 allocs/op
BenchmarkBuilderString-16                 262525              4638 ns/op           40960 B/op          1 allocs/op
BenchmarkBytesBufferString-16             183492              6568 ns/op           44736 B/op          9 allocs/op
BenchmarkJoinstring-16                    398923              3035 ns/op           12288 B/op          1 allocs/op
BenchmarkByteSliceString-16               144554              8205 ns/op           60736 B/op         15 allocs/op
PASS
ok      asong.cloud/Golang_Dream/code_demo/string_join/muliti   10.699s

结论

通过两次benchmark对比,我们可以看到当进行少量字符串拼接时,直接使用+操作符进行拼接字符串,效率还是挺高的,但是当要拼接的字符串数量上来时,+操作符的性能就比较低了;函数fmt.Sprintf还是不适合进行字符串拼接,无论拼接字符串数量多少,性能损耗都很大,还是老老实实做他的字符串格式化就好了;strings.Builder无论是少量字符串的拼接还是大量的字符串拼接,性能一直都能稳定,这也是为什么Go语言官方推荐使用strings.builder进行字符串拼接的原因,在使用strings.builder时最好使用Grow方法进行初步的容量分配,观察strings.join方法的benchmark就可以发现,因为使用了grow方法,提前分配好内存,在字符串拼接的过程中,不需要进行字符串的拷贝,也不需要分配新的内存,这样使用strings.builder性能最好,且内存消耗最小。bytes.Buffer方法性能是低于strings.builder的,bytes.Buffer 转化为字符串时重新申请了一块空间,存放生成的字符串变量,不像strings.buidler这样直接将底层的 []byte 转换成了字符串类型返回,这就占用了更多的空间。

同步最后分析的结论:

无论什么情况下使用strings.builder进行字符串拼接都是最高效的,不过要主要使用方法,记得调用grow进行容量分配,才会高效。strings.join的性能约等于strings.builder,在已经字符串slice的时候可以使用,未知时不建议使用,构造切片也是有性能损耗的;如果进行少量的字符串拼接时,直接使用+操作符是最方便也是性能最高的,可以放弃strings.builder的使用。

综合对比性能排序:

strings.joinstrings.builder > bytes.buffer > []byte转换string > "+" > fmt.sprintf

总结

本文我们针对6种字符串的拼接方式进行介绍,并通过benckmark对比了效率,无论什么时候使用strings.builder都不会错,但是在少量字符串拼接时,直接+也就是更优的方式,具体业务场景具体分析,不要一概而论。

文中代码已上传githubhttps://github.com/asong2020/...

好啦,本文到这里就结束了,我是asong,我们下期见。

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