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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2022-01-12 12:54
前言
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
}
stringStruct和slice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：
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copycheck，buf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github：https://github.com/asong2020/Golang_Dream/tree/master/code_demo/string_join
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.join ≈ strings.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github：https://github.com/asong2020/Golang_Dream/tree/master/code_demo/string_join