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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?

Esta é uma dúvida comum. Olhe o Javadoc (links estão no início da resposta) e note que ambas tem exatamente a mesma interface, isto é, os mesmos métodos e assinaturas de métodos.

Qual a diferença? Vamos analisar um método básico nas duas versões, o append(String).

A versão no StringBuilder é:

public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

E a versão no StringBuffer é:

public synchronized StringBuffer append(String str) {
    super.append(str);
    return this;
}

Notou a diferença? É o synchronized!

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

Sincronizado vs. Não Sincronizado

Quais as vantagens e desvantagens em ser ou não sincronizado?

Quando uma classe é sincronizada, ela é mais própria para trabalhar em ambientes com várias threads, por exemplo, num servidor de aplicação que atende a vários usuários ao mesmo tempo. Imagine várias threads escrevendo um log em memória, por exemplo.

Nesse caso, somente uma thread por vez pode adicionar conteúdo ao StringBuffer. O problema é que isso gera também bloqueios indesejados na execução, pois nem sempre estamos modificando a classe.

Se várias threads querem apenas ler alguma informação da classe, então a sincronização está atrasando eles sem motivo. Só para citar um exemplo, a classe StringBuffer tem o método de busca indexOf sincronizado.

Já quando uma classe não é sincronizada, ela não é adequada para ser usada concorrentemente por mais de uma thread, porém ela obtém o máximo de aproveitamento para ser modificada por uma única thread e também para ser usada no modo de leitura por várias threads.

Como regra geral, se o objeto será usado apenas no escopo de um método, não sendo compartilhado, opta-se sempre pelo StringBuilder, que foi criado justamente com esse propósito.

Já se o objeto for compartilhado de alguma forma com outras classes e for possível que alguém o use em múltiplas threadas, o StringBuffer é mais adequado.

Esse raciocínio de aplica a diversas outras classes da JVM. Veja por exemplo, as classes Hashtable (sincronizada), HashMap (não sincronizada) e ConcurrentHashMap (sincronizada apenas para alteração, mas não para leitura).

Por isso, é evidente a importância de conhecer bem as APIs da linguagem antes de sair usando sempre as mesmas soluções indiscriminadamente.


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

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