Коротко: исходный код медленный потому, что String в Java неизменяем — при каждом `s += part + ","` создаётся новый объект строки и копируются все символы из предыдущей, что даёт квадратичную по числу частей сложность копирования. Ниже — почему, как измерять и как оптимизировать (с учётом многопоточности и локальности памяти).
Почему медленно
- String неизменяем: `s += x` примерно эквивалентно `s = new StringBuilder(s).append(x).toString()`. При каждой итерации копируется содержимое старой строки.
- Количество копирований (в символах): если длины частей $l_1,\dots ,l_n$, то число скопированных символов примерно
$$\sum _{i=1}^n\sum _{j=1}^i{l}_j=\sum _{j=1}^n{l}_j(n-j+1).$$ При равных длинах $l_j=m$ это становится
$$m\cdot \frac{n(n+1)}{2}\sim O(m{n}^2),$$ т.е. при константном $m$ — $O(n^2)$. Оптимальный алгоритм с буфером — $O(S)$, где $S=\sum l_j$.
Как оценить масштаб проблемы
- Профайлеры: async-profiler, Java Flight Recorder (JFR), YourKit, VisualVM — смотрите горячие точки CPU и аллокации (много короткоживущих String/char[]).
- Замеры времени: используйте JMH (правильно с прогревом JVM и несколькими итерациями) для сравнения реализаций.
- Память/GC: jcmd GC.class_histogram, jmap, -XX:+PrintGCDetails, jstat — смотрите число аллокаций и частоту GC.
- Простой тест: измерьте время и объём выделенной памяти для набора входных данных разных размеров $n$ и общей длины $S$; квадратичность проявится при росте $n$.
Практические и алгоритмические оптимизации
1. StringBuilder (основное решение)
- Собирайте в StringBuilder и заранее задавайте capacity:
- вычислить суммарную длину: $S=\sum l_j$ (один проход) и создать `new StringBuilder(S + parts.size())` (учесть разделители).
- затем в цикле `append(part).append(',')`.
- Сложность: $O(S)$, аллокаций значительно меньше, меньше давления на GC.
2. Готовые API
- `String.join(",", parts)` — использует StringJoiner эффективно.
- `parts.stream().collect(Collectors.joining(","))` — аккуратно и читаемо; в однопоточном варианте тоже эффективно.
3. Удаление последней запятой
- Добавлять разделитель между элементами или использовать `StringJoiner`/`String.join` вместо апенда завершающей запятой. Если использовали `StringBuilder`, можно в конце уменьшить длину `setLength(sb.length()-1)` при необходимости.
4. Параллельная сборка (для очень больших наборов и многоядерных машин)
- Делайте разделение на чанки, каждый поток строит свой StringBuilder для своего диапазона (предварительно вычислить суммарную длину чанка или позволить динамическое расширение).
- После работы потоков — комбинируйте результаты в правильном порядке одним большим StringBuilder, выделив заранее суммарную итоговую ёмкость. Комбинация (append) одного большого набора меньшей стоимости, чем последовательные мелкие append, потому что вы избегаете повторных перекопирований.
- Никогда не делайте параллельные append в один и тот же StringBuilder (StringBuilder не потокобезопасен; StringBuffer синхронизирован и медленнее).
5. Локальность памяти и уменьшение давления на GC
- Минимизируйте количество промежуточных String и char[]: один большой StringBuilder -> одна большая char[] при toString().
- Современные JDK используют компактные строки (byte[]), но всё равно лучше уменьшать число аллокаций.
- Если набор частей сам формируется многопоточно, старайтесь формировать части и агрегировать их локально в том же потоке/чанке, чтобы улучшить локальность и избежать частых короткоживущих объектов.
Практические советы по измерению/внедрению
- Напишите JMH-бенчмарк: сравните исходную реализацию, StringBuilder (без/с предвычислением capacity), String.join.
- Посмотрите профиль аллокаций: убедитесь, что в проблемном случае создаётся много временных String/char[].
- Если используете parallelStream(), проверяйте, что комбинирование не приводит к повторным аллокациям и не сводит на нет выигрыш от параллелизма.
- В реальных приложениях чаще всего достаточно заменить `s += ...` на StringBuilder или String.join. Параллельная стратегия полезна только при очень больших объёмах $S$ и при наличии CPU/памяти для эффективной работы.
Короткий пример (одно из простых правил):
- Плохой: `String s = ""; for (String p : parts) s += p + ",";`
- Хороший:
1) предварительный подсчёт:
- посчитать $S=\sum p.length()$,
- `StringBuilder sb = new StringBuilder(S + parts.size());`
- цикл `sb.append(p).append(',');`
- при необходимости убрать последнюю запятую.
2) или просто `String result = String.join(",", parts);`
Этого обычно достаточно, чтобы снизить время с $O(n^2)$ до $O(S)$ и значительно уменьшить аллокации и нагрузку на GC.