.Net的StringBuilder实现在4.0和2.0区别

.Net 4.0重构了StringBuilder的实现，采用了新的数据存储方式，不仅在效率上有大的提高，并且彻底避免了中间处理过程出现临时String对象进入LOH大对象堆的情况。本文对此进行分析。

回顾.Net 2.0的StringBuilder实现

Reflector查看StringBuilder的实现：

其内部数据存储结构为string（对应成员变量m_StringValue）。StringBuilder的构造函数可以依据指定的字符串和容量来初始化，默认为空串（string.Empty），默认容量为16。构造函数使用string的GetStringForStringBuilder方法对m_StringValue变量赋值：

查看GetStringForStringBuilder的实现，m_StringValue被视为char数组，其大小由capacity容量决定，该值可以大于实际存储的string对象的大小：

在Append等方法中，若发现当前字符数组已不能满足存储要求，则调用GetNewString方法扩展，否则用wstrcpy拷贝字符到存储区域：

GetNewString采用容量翻倍的方式扩展字符数组，如果发现翻倍的扩展不能满足要求，则直接设置为requiredLength大小：

由以上分析可知，容量增长并非一定严格以16为基数增长，例如16、32、64、128，某次扩展可能导致基数发生变化。例如，假设用字符串“ABCDE”初始化一个StringBuilder，则字符数组容量为16，目前使用了其中的5个位置。随后Append一个长度为40的字符串，由于翻倍增长到32仍不能满足要求，将调整capacity=45，容量增长序列将变为16、45、90、180。

.Net 2.0 StringBuilder的容量扩展有几个缺陷：

1. 每次容量扩展都会生成一个新的string对象，其内容来自于复制老的string对象。之后，老的string对象就被废弃掉。在此过程中，若string对象大于85k（严格讲应该是85k / 2，因为是unicode字符），将会进入LOH大对象堆

2. 随容量的增长，例如大于1M，在LOH大对象堆中寻找连续的内存空间会变得困难，尤其若LOH碎片化严重时

3. 存在额外的拷贝消耗，会有轻微的性能损失

4. 要处理线程安全问题，包括m_StringValue本身就是被定义为volatile，也会有轻微的性能损失

可见，.Net 2.0实现的StringBuilder，内部的存储结构就是一个简单的string对象。当内部的string对象其容量不足以容纳新的Append数据时，就需要扩展容量，扩展方式为容量加倍。在容量扩展后，老的string对象及新Append的数据要拷贝到新的内存区域。这个过程中，会生成新的string对象及废弃老的string对象。如果string对象的尺寸已经大于85k，那么每次容量扩展就会有两个string对象进入到LOH中。本质上，相对于直接用“+”方式连接两个string对象，StringBuilder只是大幅降低了临时string对象的生成频率，而并不能彻底规避临时string对象的生成。

.Net 4.0新的StringBuilder实现

.Net 4.0实现StringBuilder的方式非常精彩：

存储结构不再是string对象，而明确为字符数组（对应成员变量m_ChunkChars）。每个StringBuilder字符数组的最大大小由Max_ChunkSize限定，取值为8000（对应16进制的0x1F40）。如果需要存储的数据超过8000，怎么处理呢？奥秘就在m_ChunkPrevious成员变量上，每个StringBuilder内部会维护一个指向StringBuilder实例的指针，由此构成一个StringBuilder链表。即一个逻辑上的存储，实际是被链表上所有StringBuilder实例共同分担的。

构造函数初始化m_ChunkChars的代码如下，默认字符数组大小仍为16：

容量扩展由如下方法完成：

在容量扩展时，让m_ChunkPrevious指向自己！很精彩的实现，避免了.Net 2.0时的Copy开销，仅仅就是一个指针的赋值：

而Math.Max计算决定了新字符数组的分配，其大小被控制在8000以内，从而确保不会进入LOH大对象堆。

总体看，.Net 2.0主要的实现缺陷都被优化掉了。当然，由于链表方式的引入，部分方法的处理变得复杂。例如：

不过实现同样精彩，并不需要从头到尾开始复制字符，从尾到头是高效的做法。

总结

.Net 4.0的StringBuilder实现，将原来单一String对象的存储方式，优化为一系列的内存块（Memory Chunk）。每个StringBuilder包含一个内存块，通过引用其它StringBuilder对象的方式，形成了一个内存块的链表。通过限定每个内存块的最大大小，确保StringBuilder在容量扩展过程中不会有大对象的产生。从实现算法看，最常用的Append方法效率较.Net 2.0要高，ToString大致等效，而Insert方法效率较.Net 2.0会下降。总体看，实现相当精彩。

个人认为，StringBuilder默认容量沿用16实在太小了，常常导致最初需要多次容量扩张。如果16的容量就能满足要求，那实际上就不会用StringBuilder，而直接用String+了。个人认为512或1024是较为合适的选择。