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.NET面試題解析(03)-string與字元串操作

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常見面試題目:

1.字元串是引用類型類型還是值類型？

2.在字元串連接配接進行中，最好采用什麼方式，理由是什麼？

3.使用 StringBuilder時，需要注意些什麼問題？

4.以下代碼執行後記憶體中會存在多少個字元串？分别是什麼？輸出結果是什麼？為什麼呢？

string st1 = "123" + "abc";
string st2 = "123abc";
Console.WriteLine(st1 == st2);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(st1, st2));

5.以下代碼執行後記憶體中會存在多少個字元串？分别是什麼？輸出結果是什麼？為什麼呢？

string s1 = "123";
string s2 = s1 + "abc";
string s3 = "123abc";
Console.WriteLine(s2 == s3);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s2, s3));

6.使用C#實作字元串反轉算法，例如：輸入"12345", 輸出"54321"。

7.下面的代碼輸出結果？為什麼？

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object a = "123";
object b = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(a,b));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(a,b));
string sa = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(a, sa));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(a, sa));
.NET面試題解析(03)-string與字元串操作

  深入淺出字元串操作

string是一個特殊的引用類型，使用上有點像值類型。之是以特殊，也主要是因為string太常用了，為了提高性能及開發友善，對string做了特殊處理，給予了一些專用特性。為了彌補string在字元串連接配接操作上的一些性能不足，便有了StringBuilder。

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 認識string

首先需要明确的，string是一個引用類型，其對象值存儲在托管堆中。string的内部是一個char集合，他的長度Length就是字元char數組的字元個數。string不允許使用new string()的方式建立執行個體，而是另一種更簡單的文法，直接指派（string aa= “000”這一點也類似值類型）。

認識string，先從一個簡單的示例代碼入手：

public void DoStringTest()
{
    var aa = "000";
    SetStringValue(aa);
    Console.WriteLine(aa);
}

private void SetStringValue(string aa)
{
    aa += "111";
}

上面的輸出結果為“000”。

通過前面的值類型與引用類型的文章，我們知道string是一個引用類型，既然是一個引用類型，參數傳遞的是引用位址，那為什麼不是輸出“000111”呢？是不是很有值類型的特點呢！這一切的原因源于string類型的兩個重要的特性：恒定性與駐留性

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 String的恒定性（不變性）

字元串是不可變的，字元串一經建立，就不會改變，任何改變都會産生新的字元串。比如下面的代碼，堆上先建立了字元串s1=”a”，加上一個字元串“b”後，堆上會存在三個個字元串執行個體，如下圖所示。

string s1 = "a";
string s2 = s1 + "b";

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上文中的”任何改變都會産生新的字元串“，包括字元串的一些操作函數，如str1.ToLower，Trim()，Remove(int startIndex, int count)，ToUpper()等，都會産生新的字元串，是以在很多程式設計實踐中，對于字元串忽略大小的比較：

if（str1.ToLower()==str2.ToLower()） //這種方式會産生新的字元串，不推薦
if（string. Compare(str1,str2,true)） //這種方式性能更好

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 String的駐留性

由于字元串的不變性，在大量使用字元串操作時，會導緻建立大量的字元串對象，帶來極大的性能損失。是以CLR又給string提供另外一個法寶，就是字元串駐留，先看看下面的代碼，字元串s1、s2竟然是同一個對象！

var s1 = "123";
var s2 = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(s1, s2));  //輸出 True
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s1, s2));  //輸出 True

相同的字元串在記憶體（堆）中隻配置設定一次，第二次申請字元串時，發現已經有該字元串是，直接傳回已有字元串的位址，這就是駐留的基本過程。

字元串駐留的基本原理：

  • CLR初始化時會在記憶體中建立一個駐留池，内部其實是一個哈希表，存儲被駐留的字元串和其記憶體位址。
  • 駐留池是程序級别的，多個AppDomain共享。同時她不受GC控制，生命周期随程序，意思就是不會被GC回收（不回收！難道不會造成記憶體爆炸嗎？不要急，且看下文）
  • 當配置設定字元串時，首先會到駐留池中查找，如找到，則傳回已有相同字元串的位址，不會建立新字元串對象。如果沒有找到，則建立新的字元串，并把字元串添加到駐留池中。

如果大量的字元串都駐留到記憶體裡，而得不到釋放，不是很容易造成記憶體爆炸嗎，當然不會了？因為不是任何字元串都會駐留，隻有通過IL指令

ldstr

建立的字元串才會留用。

字元串建立的有多種方式，如下面的代碼：

var s1 = "123";
var s2 = s1 + "abc";
var s3 = string.Concat(s1, s2);
var s4 = 123.ToString();
var s5 = s2.ToUpper();

其IL代碼如下

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在上面的代碼中，出現兩個字元串常量，“123”和“abc”，這個兩個常量字元串在IL代碼中都是通過IL指令

ldstr

建立的，隻有該指令建立的字元串才會被駐留，其他方式産生新的字元串都不會被駐留，也就不會共享字元串了，會被GC正常回收。

那該如何來驗證字元串是否駐留呢，string類提供兩個靜态方法：

  • String.Intern(string str) 可以主動駐留一個字元串；
  • String.IsInterned(string str);檢測指定字元串是否駐留，如果駐留則傳回字元串，否則傳回NULL
.NET面試題解析(03)-string與字元串操作

請看下面的示例代碼

var s1 = "123";
var s2 = s1 + "abc";
Console.WriteLine(s2);   //輸出：123abc
Console.WriteLine(string.IsInterned(s2) ?? "NULL");   //輸出：NULL。因為“123abc”沒有駐留

string.Intern(s2);   //主動駐留字元串
Console.WriteLine(string.IsInterned(s2) ?? "NULL");   //輸出：123abc

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 認識StringBuilder

大量的程式設計實踐和意見中，都說大量字元串連接配接操作，應該使用StringBuilder。相對于string的不可變，StringBuilder代表可變字元串，不會像字元串，在托管堆上頻繁配置設定新對象，StringBuilder是個好同志。

首先StringBuilder内部同string一樣，有一個char[]字元數組，負責維護字元串内容。是以，與char數組相關，就有兩個很重要的屬性：

  • public int Capacity：StringBuilder的容量，其實就是字元數組的長度。
  • public int Length：StringBuilder中實際字元的長度，>=0，<=容量Capacity。

StringBuilder之是以比string效率高，主要原因就是不會建立大量的新對象，StringBuilder在以下兩種情況下會配置設定新對象：

  • 追加字元串時，當字元總長度超過了目前設定的容量Capacity，這個時候，會重新建立一個更大的字元數組，此時會涉及到配置設定新對象。
  • 調用StringBuilder.ToString()，建立新的字元串。

追加字元串的過程：

  • StringBuilder的預設初始容量為16；
  • 使用stringBuilder.Append()追加一個字元串時，當字元數大于16，StringBuilder會自動申請一個更大的字元數組，一般是倍增；
  • 在新的字元數組配置設定完成後，将原字元數組中的字元複制到新字元數組中，原字元數組就被無情的抛棄了（會被GC回收）；
  • 最後把需要追加的字元串追加到新字元數組中；

簡單來說，當StringBuilder的容量Capacity發生變化時，就會引起托管對象申請、記憶體複制等操作，帶來不好的性能影響，是以設定合适的初始容量是非常必要的，盡量減少記憶體申請和對象建立。代碼簡單來驗證一下：

StringBuilder sb1 = new StringBuilder();
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb1.Capacity, sb1.Length); //輸出：Capacity=16; Length=0;   //初始容量為16 
sb1.Append('a', 12);    //追加12個字元
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb1.Capacity, sb1.Length); //輸出：Capacity=16; Length=12;  
sb1.Append('a', 20);    //繼續追加20個字元，容量倍增了
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb1.Capacity, sb1.Length); //輸出：Capacity=32; Length=32;  
sb1.Append('a', 41);    //追加41個字元，新容量=32+41=73
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb1.Capacity, sb1.Length); //輸出：Capacity=73; Length=73;  

StringBuilder sb2 = new StringBuilder(80); //設定一個合适的初始容量
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb2.Capacity, sb2.Length); //輸出：Capacity=80; Length=0;
sb2.Append('a', 12);
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb2.Capacity, sb2.Length); //輸出：Capacity=80; Length=12;
sb2.Append('a', 20);
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb2.Capacity, sb2.Length); //輸出：Capacity=80; Length=32;
sb2.Append('a', 41);
Console.WriteLine("Capacity={0}; Length={1};", sb2.Capacity, sb2.Length); //輸出：Capacity=80; Length=73;

為什麼少量字元串不推薦使用StringBuilder呢？因為StringBuilder本身是有一定的開銷的，少量字元串就不推薦使用了，使用String.Concat和String.Join更合适。

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 高效的使用字元串

  • 在使用線程鎖的時候，不要鎖定一個字元串對象，因為字元串的駐留性，可能會引發不可以預料的問題；
  • 了解字元串的不變性，盡量避免産生額外字元串，如： 
if（str1.ToLower()==str2.ToLower()） //這種方式會産生新的字元串，不推薦
if（string. Compare(str1,str2,true)） //這種方式性能更好
  • 在處理大量字元串連接配接的時候，盡量使用StringBuilder，在使用StringBuilder時，盡量設定一個合适的長度初始值；
  • 少量字元串連接配接建議使用String.Concat和String.Join代替。

  題目答案解析:

引用類型。

2.在字元串連加進行中，最好采用什麼方式，理由是什麼？

少量字元串連接配接，使用String.Concat，大量字元串使用StringBuilder，因為StringBuilder的性能更好，如果string的話會建立大量字元串對象。

  • 少量字元串時，盡量不要用，StringBuilder本身是有一定性能開銷的；
  • 大量字元串連接配接使用StringBuilder時，應該設定一個合适的容量； 

string st1 = "123" + "abc";
string st2 = "123abc";
Console.WriteLine(st1 == st2);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(st1, st2));

輸出結果：

True
True

記憶體中的字元串隻有一個“123abc”,第一行代碼（string st1 = "123" + "abc"; ）常量字元串相加會被編譯器優化。由于字元串駐留機制，兩個變量st1、st2都指向同一個對象。IL代碼如下：

.NET面試題解析(03)-string與字元串操作
 

string s1 = "123";
string s2 = s1 + "abc";
string s3 = "123abc";
Console.WriteLine(s2 == s3);
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(s2, s3));

和第5題的結果肯定是不一樣的，答案留給讀者吧，文章太長了，寫的好累！

6.使用C#實作字元串反轉算法，例如：輸入"12345", 輸出"54321"

這是一道比較綜合的考察字元串操作的題目，答案可以有很多種。通過不同的答題可以看出程式猿的基礎水準。下面是網上比較認可的兩種答案，效率上都是比較不錯的。

public static string Reverse(string str)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(str))
    {
        throw new ArgumentException("參數不合法");
    }

    StringBuilder sb = new StringBuilder(str.Length);  //注意：設定合适的初始長度，可以顯著提高效率（避免了多次記憶體申請）
    for (int index = str.Length - 1; index >= 0; index--)
    {
        sb.Append(str[index]);
    }
    return sb.ToString();
}      
public static string Reverse(string str)
{
    if (string.IsNullOrEmpty(str))
    {
        throw new ArgumentException("參數不合法");
    }
    char[] chars = str.ToCharArray();
    int begin = 0;
    int end = chars.Length - 1;
    char tempChar;
    while (begin < end)
    {
        tempChar = chars[begin];
        chars[begin] = chars[end];
        chars[end] = tempChar;
        begin++;
        end--;
    }
    string strResult = new string(chars);
    return strResult;
}

還有一個比較簡單也挺有效的方法：

public static string Reverse(string str)
{
    char[] arr = str.ToCharArray();
    Array.Reverse(arr);
    return new string(arr);
}

.NET面試題解析(03)-string與字元串操作
 
object a = "123";
object b = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(a,b));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(a,b));
string sa = "123";
Console.WriteLine(System.Object.Equals(a, sa));
Console.WriteLine(System.Object.ReferenceEquals(a, sa));
.NET面試題解析(03)-string與字元串操作

輸出結果全是True，因為他們都指向同一個字元串執行個體，使用object聲明和string聲明在這裡并沒有差別（string是引用類型）。

使用object聲明和string聲明到底有沒有差別呢？，有點疑惑，一個朋友在面試時面試官有問過這個問題，那個面試官說sa、a是有差別的，且不相等。對于此疑問，歡迎交流。

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