技術文章 » 字串 --- 不可變性與駐留池

字串 --- 不可變性與駐留池

2023-10-18 12:02:37

引言

面試中，常會問道，在巨量資料量的字串拼接情況，為什麼 StringBuilder 效能比直接字串拼接更好？

主要原因就是 string 是不可變型別，每次操作都會建立新的字串物件，頻繁操作會導致記憶體頻繁的分配和回收，就會降低效能， 而 StringBuilder 是可變型別，它允許對字串進行原地修改，無需每次都建立新物件，其內部使用一個緩衝區來儲存字元，可以高效地執行字串操作，如新增、插入、刪除等。

面試題就不多說了，既然這裡已經提到了字串效能，那我們來說一說保證字串的效能、記憶體效率和安全性的兩大門神：

  • 字串的不可變性
  • 字串駐留池

原理與關係

C# 中的字串駐留池（String Interning Pool）是一個關鍵的記憶體管理概念，旨在提高字串的效能和記憶體效率。字串駐留池是一個特殊的記憶體區域，用於儲存字串字面值的唯一範例，以減少記憶體使用和提高效能。

字串字面值

字串字面值是指由雙引號括起來的字元序列，比如："Hello, World!"。字串字面值通常用於宣告字串變數或進行字串操作。這些字串字面值在編譯時被解析，並根據它們的值儲存在記憶體中。

下面宣告了兩個字串字面值：

 String s1 = "hello";
 String s2 = "world";

字串不可變性

字串不可變，這意味著一旦建立，字串的內容不能被更改。這種不可變性是為了確保字串的安全性和可靠性。當你對字串進行操作時，實際上是建立了新的字串物件，而原始字串保持不變。這對於多執行緒和記憶體管理非常重要。

string originalString = "Hello, World!"; // 建立一個字串

Console.WriteLine("原始字串：" + originalString);

// 嘗試修改字串內容
// 下面的行將引發編譯錯誤，因為字串是不可變的
// originalString[0] = 'M';

// 建立新字串而不是修改原始字串
string newString = originalString.Replace('H', 'M');
Console.WriteLine("修改後的字串：" + newString);

Console.WriteLine("原始字串：" + originalString); // 原始字串不受影響

Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(originalString, newString)); // 不是同一物件

上述程式碼輸出：

原始字串：Hello, World!
修改後的字串：Mello, World!
原始字串：Hello, World!
False

字串駐留池的工作原理

字串駐留池的核心概念是確保具有相同值的字串在記憶體中只有一個範例。它的工作原理如下：

  1. 字串字面值的儲存：當你在程式碼中使用字串字面值時，編譯器會將這些字串字面值儲存在字串駐留池中。這是編譯時操作，而不是執行時操作。

  2. 檢查字串值：在建立字串字面值時，編譯器會首先檢查字串池，看是否已經存在具有相同值的字串。如果存在，編譯器會返回對現有字串的參照，而不是建立一個新的字串物件。

  3. 共用相同的範例：如果多個字串字面值具有相同的值，它們會共用相同的記憶體範例，從而節省記憶體。這意味著即使你多次建立相同值的字串，實際上它們指向的是相同的記憶體位置。

  4. 不可變性的重要性：字串的不可變性是字串駐留池的基礎。因為字串是不可變的，共用字串範例不會導致資料損壞或不一致性。

字串駐留池的優點

字串駐留池的存在帶來了多個重要優點：

  1. 記憶體節省：由於字串駐留，相同的字串值只需儲存一次，減少了記憶體使用。這對於大規模應用程式和處理大量文字資料尤為重要。

  2. 效能提升：由於字串共用相同的範例，比較字串的相等性變得更快速，因為可以直接比較參照，而不必比較字串的內容。

  3. 可靠性：字串駐留池有助於確保字串資料的一致性。如果多個部分使用相同的字串值，它們將參照相同的範例，從而避免資料不一致性。

  4. 簡化程式碼：開發人員可以放心地使用字串字面值，而不必擔心記憶體管理。這使得程式碼更簡潔和易於維護。

使用字串駐留池

通常情況下，你不需要手動管理字串駐留池，因為C#編譯器和執行時會自動處理字串的駐留。這意味著當你宣告多個相同值的字串時，它們將共用相同的記憶體範例，無需任何額外的程式碼。

string s1 = "Hello";
string s2 = "Hello";

Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(s1, s1)); //輸出True

然而，如果你需要顯式地將一個字串新增到字串駐留池中，可以使用string.Intern()方法：

 string s1 = "Hello";
 string s2 = "World";
 // 手動將字串s2新增到字串駐留池
 string internedString = string.Intern(s2);
 // 現在s2和internedString都指向相同的字串物件
 Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(s2, internedString));   //輸出True

兩者關係

字串的不可變性和字串駐留池之間存在緊密的關係，它們共同作用於C#中的字串處理和記憶體管理。
這兩個概念之間的關係在以下方面體現：

  • 記憶體共用：由於字串的不可變性，可以安全地在字串之間共用記憶體範例。字串的不可變性確保了多個字串可以指向相同的記憶體位置，而不必擔心資料被修改。字串駐留池利用這一點，確保相同值的字串字面值共用相同的記憶體。

  • 效能和記憶體優化：由於字串不可變且字串駐留池的存在，比較字串的相等性變得更加高效，因為可以直接比較參照而不必比較字串內容。這提高了字串操作的效能，同時減少了記憶體使用，因為相同值的字串只需儲存一次。

  • 共用和複用：字串不可變性和字串駐留池的結合使得相同的字串字面值可以被多個部分共用和複用，從而減少了記憶體開銷。這對於具有重複字串值的大型應用程式和處理大量文字資料的情況尤其有益。

總結

綜上所述，字串的不可變性和字串駐留池共同提高了C#中字串的效能、記憶體效率和安全性，使得多個部分可以共用相同值的字串範例，同時確保字串的內容不會被無意修改。這些概念在C#中的字串處理中發揮著關鍵作用。