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utluiz
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A hierarquia

As classes java.lang.StringBuffer e java.lang.StringBuilder possuem exatamente a mesma interface estendem java.lang.AbstractStringBuilder, que possui dois atributos principais:

char value[];
int count;

Ali são armazenados os caracteres e o tamanho real do mesmo.

Sobre o Buffer

String é um tipo que armazena um conjunto de caracteres. Ela é imutável, isto é, não pode ter o conteúdo modificado, assim como seu tamanho.

O problema com isso é que para criar novas Strings, por exemplo, através da concatenação de duas ou mais Strings, uma nova String como o tamanho total delas deve ser criada em memória. Se várias dessas operações forem executadas em sequência, a JVM precisará alocar novos blocos de memória e executar o Garbage Collector para desalocar o que não é usado a todo momento. Isso é muito "custoso" em termos de desempenho.

O StringBuffer surge para resolver o problema. Um StringBuffer nada mais é do que uma String com um Buffer, isto é, um espaço reservado para novos caracteres que pode ser modificado e torna desnecessário, até certo ponto, alocar mais memória a todo momento.

O buffer é simplesmente um vetor de caracteres maior do que o conteúdo real. Por exemplo, o buffer pode ter 1000 posições e a String real apenas 500. Isso é controlado pelo atributo count. Neste exemplo, poderíamos adicionar ainda mais 500 caracteres sem degradar o desempenho do programa.

O tamanho inicial

Em muitas situações é importante definir o tamanho inicial do buffer com um tamanho médio do que se pretende usar.

Ao fazer new StringBuffer() ou new StringBuilder(), isto é, sem definir um tamanho inicial, estamos subutilizando a classe. A capacidade inicial do buffer é de apenas 16 caracteres.

Isso significa que, se adicionarmos mais de 16 caracteres, um novo buffer terá que ser alocado.

Aumentando o tamanho

Ao estourar a capacidade do buffer o próximo será criado com o dobro do tamanho. Veja o cálculo da nova capacidade do buffer no método expandCapacity da classe AbstractStringBuilder:

void expandCapacity(int minimumCapacity) {
    int newCapacity = (value.length + 1) * 2;
    if (newCapacity < 0) {
        newCapacity = Integer.MAX_VALUE;
    } else if (minimumCapacity > newCapacity) {
        newCapacity = minimumCapacity;
    }
    value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}

StringBuffer ou StringBuilder?

Ohe o Javadoc (links estão no início da resposta) e note que ambas tem exatamente a mesma interface. Qual a diferença?

Dizemos que a classe StringBuffer é sincronizada, enquanto a classe StringBuilder não é sincronizada.

Isso significa que a primeira pode ser usada concorrentemente por múltiplas threads, mas também terá o desempenho reduzido pela sincronização e pelos bloqueis, quanto a segunda deve ser reservada para uso exclusivo por uma thread, porém maximizando o desempenho.

Para maiores detalhes, ver minha outra resposta aqui no SO.

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