字符串拼接性能及原理

Go 语言/golang 高性能编程，Go 语言进阶教程，Go 语言高性能编程(high performance go)。详细介绍了构造字符串/拼接字符串(string concatation) 的 5 种方式：+, strings.Builder, bytes.Buffer, []byte 和 fmt.Sprintf，比较了这 5 种方式的性能，并且深入解释了背后的原理。

1. 字符串高效拼接

在 Go 语言中，字符串(string) 是不可变的，拼接字符串事实上是创建了一个新的字符串对象。如果代码中存在大量的字符串拼接，对性能会产生严重的影响。

1.1 常见的拼接方式

为了避免编译器优化，我们首先实现一个生成长度为 n 的随机字符串的函数。

const letterBytes = "abcdefghijklmnopqrstuvwxyzABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"

func randomString(n int) string {
	b := make([]byte, n)
	for i := range b {
		b[i] = letterBytes[rand.Intn(len(letterBytes))]
	}
	return string(b)
}

然后利用这个函数生成字符串 str，然后将 str 拼接 N 次。在 Go 语言中，常见的字符串拼接方式有如下 5 种：

使用 +

func plusConcat(n int, str string) string {
	s := ""
	for i := 0; i < n; i++ {
		s += str
	}
	return s
}

使用 fmt.Sprintf

func sprintfConcat(n int, str string) string {
	s := ""
	for i := 0; i < n; i++ {
		s = fmt.Sprintf("%s%s", s, str)
	}
	return s
}

使用 strings.Builder

func builderConcat(n int, str string) string {
	var builder strings.Builder
	for i := 0; i < n; i++ {
		builder.WriteString(str)
	}
	return builder.String()
}

使用 bytes.Buffer

func bufferConcat(n int, s string) string {
	buf := new(bytes.Buffer)
	for i := 0; i < n; i++ {
		buf.WriteString(s)
	}
	return buf.String()
}

使用 []byte

func byteConcat(n int, str string) string {
	buf := make([]byte, 0)
	for i := 0; i < n; i++ {
		buf = append(buf, str...)
	}
	return string(buf)
}

如果长度是可预知的，那么创建 []byte 时，我们还可以预分配切片的容量(cap)。

func preByteConcat(n int, str string) string {
	buf := make([]byte, 0, n*len(str))
	for i := 0; i < n; i++ {
		buf = append(buf, str...)
	}
	return string(buf)
}

make([]byte, 0, n*len(str)) 第二个参数是长度，第三个参数是容量(cap)，切片创建时，将预分配 cap 大小的内存。

1.2 benchmark 性能比拼

每个 benchmark 用例中，生成了一个长度为 10 的字符串，并拼接 1w 次。

func benchmark(b *testing.B, f func(int, string) string) {
	var str = randomString(10)
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		f(10000, str)
	}
}

func BenchmarkPlusConcat(b *testing.B)    { benchmark(b, plusConcat) }
func BenchmarkSprintfConcat(b *testing.B) { benchmark(b, sprintfConcat) }
func BenchmarkBuilderConcat(b *testing.B) { benchmark(b, builderConcat) }
func BenchmarkBufferConcat(b *testing.B)  { benchmark(b, bufferConcat) }
func BenchmarkByteConcat(b *testing.B)    { benchmark(b, byteConcat) }
func BenchmarkPreByteConcat(b *testing.B) { benchmark(b, preByteConcat) }

运行该用例：

$ go test -bench="Concat$" -benchmem .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example
BenchmarkPlusConcat-8         19      56 ms/op   530 MB/op   10026 allocs/op
BenchmarkSprintfConcat-8      10     112 ms/op   835 MB/op   37435 allocs/op
BenchmarkBuilderConcat-8    8901    0.13 ms/op   0.5 MB/op      23 allocs/op
BenchmarkBufferConcat-8     8130    0.14 ms/op   0.4 MB/op      13 allocs/op
BenchmarkByteConcat-8       8984    0.12 ms/op   0.6 MB/op      24 allocs/op
BenchmarkPreByteConcat-8   17379    0.07 ms/op   0.2 MB/op       2 allocs/op
PASS
ok      example 8.627s

从基准测试的结果来看，使用 + 和 fmt.Sprintf 的效率是最低的，和其余的方式相比，性能相差约 1000 倍，而且消耗了超过 1000 倍的内存。当然 fmt.Sprintf 通常是用来格式化字符串的，一般不会用来拼接字符串。

strings.Builder、bytes.Buffer 和 []byte 的性能差距不大，而且消耗的内存也十分接近，性能最好且消耗内存最小的是 preByteConcat，这种方式预分配了内存，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，因此性能最好，且内存消耗最小。

1.3 建议

综合易用性和性能，一般推荐使用 strings.Builder 来拼接字符串。

这是 Go 官方对 strings.Builder 的解释：

A Builder is used to efficiently build a string using Write methods. It minimizes memory copying.

string.Builder 也提供了预分配内存的方式 Grow：

func builderConcat(n int, str string) string {
	var builder strings.Builder
	builder.Grow(n * len(str))
	for i := 0; i < n; i++ {
		builder.WriteString(str)
	}
	return builder.String()
}

使用了 Grow 优化后的版本的 benchmark 结果如下：

BenchmarkBuilderConcat-8   16855    0.07 ns/op   0.1 MB/op       1 allocs/op
BenchmarkPreByteConcat-8   17379    0.07 ms/op   0.2 MB/op       2 allocs/op

与预分配内存的 []byte 相比，因为省去了 []byte 和字符串(string) 之间的转换，内存分配次数还减少了 1 次，内存消耗减半。

2 性能背后的原理

2.1 比较 strings.Builder 和 `+`

strings.Builder 和 + 性能和内存消耗差距如此巨大，是因为两者的内存分配方式不一样。

字符串在 Go 语言中是不可变类型，占用内存大小是固定的，当使用 + 拼接 2 个字符串时，生成一个新的字符串，那么就需要开辟一段新的空间，新空间的大小是原来两个字符串的大小之和。拼接第三个字符串时，再开辟一段新空间，新空间大小是三个字符串大小之和，以此类推。假设一个字符串大小为 10 byte，拼接 1w 次，需要申请的内存大小为：

10 + 2 * 10 + 3 * 10 + ... + 10000 * 10 byte = 500 MB

而 strings.Builder，bytes.Buffer，包括切片 []byte 的内存是以倍数申请的。例如，初始大小为 0，当第一次写入大小为 10 byte 的字符串时，则会申请大小为 16 byte 的内存（恰好大于 10 byte 的 2 的指数），第二次写入 10 byte 时，内存不够，则申请 32 byte 的内存，第三次写入内存足够，则不申请新的，以此类推。在实际过程中，超过一定大小，比如 2048 byte 后，申请策略上会有些许调整。我们可以通过打印 builder.Cap() 查看字符串拼接过程中，strings.Builder 的内存申请过程。

func TestBuilderConcat(t *testing.T) {
	var str = randomString(10)
	var builder strings.Builder
	cap := 0
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		if builder.Cap() != cap {
			fmt.Print(builder.Cap(), " ")
			cap = builder.Cap()
		}
		builder.WriteString(str)
	}
}

运行结果如下：

$ go test -run="TestBuilderConcat" . -v
=== RUN   TestBuilderConcat
16 32 64 128 256 512 1024 2048 2688 3456 4864 6144 8192 10240 13568 18432 24576 32768 40960 57344 73728 98304 122880 --- PASS: TestBuilderConcat (0.00s)
PASS
ok      example 0.007s

我们可以看到，2048 以前按倍数申请，2048 之后，以 640 递增，最后一次递增 24576 到 122880。总共申请的内存大小约 0.52 MB，约为上一种方式的千分之一。

16 + 32 + 64 + ... + 122880 = 0.52 MB

2.2 比较 strings.Builder 和 bytes.Buffer

strings.Builder 和 bytes.Buffer 底层都是 []byte 数组，但 strings.Builder 性能比 bytes.Buffer 略快约 10% 。一个比较重要的区别在于，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，而 strings.Builder 直接将底层的 []byte 转换成了字符串类型返回了回来。

bytes.Buffer

// To build strings more efficiently, see the strings.Builder type.
func (b *Buffer) String() string {
	if b == nil {
		// Special case, useful in debugging.
		return "<nil>"
	}
	return string(b.buf[b.off:])
}

strings.Builder

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

bytes.Buffer 的注释中还特意提到了：

To build strings more efficiently, see the strings.Builder type.

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