StringBuilder为什么线程不安全?

引言

面试官:StringBuilder和StringBuffer的区别在哪?
我:StringBuilder不是线程安全的,StringBuffer是线程安全的
面试官:那StringBuilder不安全的点在哪儿?
我:。。。(哑巴了)
在这之前我只记住了StringBuilder不是线程安全的,StringBuffer是线程安全的这个结论,至于StringBuilder为什么不安全从来没有去想过。

分析

在分析个问题之前我们要知道StringBuilder和StringBuffer的内部实现跟String类一样,都是通过一个char数组存储字符串的,不同的是String类里面的char数组是final修饰的,是不可变的,而StringBuilder和StringBuffer的char数组是可变的。
首先通过一段代码去看一下多线程操作StringBuilder对象会出现什么问题
public class StringBuilderDemo {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < 10; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++){
                        stringBuilder.append(“a”);
                    }
                }
            }).start();
        }
        Thread.sleep(100);
        System.out.println(stringBuilder.length());
    }
}
我们能看到这段代码创建了10个线程,每个线程循环1000次往StringBuilder对象里面append字符。正常情况下代码应该输出10000,但是实际运行会输出什么呢?
我们看到输出了“9326”,小于预期的10000,并且还抛出了一个ArrayIndexOutOfBoundsException异常(异常不是必现)。

1、为什么输出值跟预期值不一样

我们先看一下StringBuilder的两个成员变量(这两个成员变量实际上是定义在AbstractStringBuilder里面的,StringBuilder和StringBuffer都继承了AbstractStringBuilder)
//存储字符串的具体内容
char[] value;
//已经使用的字符数组的数量
int count;
再看StringBuilder的append()方法:
@Override
public StringBuilder append(String str) {
    super.append(str);
    return this;

}

StringBuilder的append()方法调用的父类AbstractStringBuilder的append()方法
public AbstractStringBuilder append(String str{
    if (str == null)
        return appendNull();
    int len = str.length();
    ensureCapacityInternal(count + len);
    str.getChars(0, len, value, count);
    count += len;
    return this;
}
我们先不管代码的第五行和第六行干了什么,直接看第七行,count += len不是一个原子操作。假设这个时候count值为10,len值为1,两个线程同时执行到了第七行,拿到的count值都是10,执行完加法运算后将结果赋值给count,所以两个线程执行完后count值为11,而不是12。这就是为什么测试代码输出的值要比10000小的原因。

2、为什么会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。

我们看回AbstractStringBuilder的append()方法源码的第五行,ensureCapacityInternal()方法是检查StringBuilder对象的原char数组的容量能不能盛下新的字符串,如果盛不下就调用expandCapacity()方法对char数组进行扩容。
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity{
        // overflow-conscious code
    if (minimumCapacity – value.length > 0)
        expandCapacity(minimumCapacity);

}

扩容的逻辑就是new一个新的char数组,新的char数组的容量是原来char数组的两倍再加2,再通过System.arryCopy()函数将原数组的内容复制到新数组,最后将指针指向新的char数组。
void expandCapacity(int minimumCapacity{
    //计算新的容量
    int newCapacity = value.length * 2 + 2;
    //中间省略了一些检查逻辑
    …
    value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}
Arrys.copyOf()方法
public static char[] copyOf(char[] original, int newLength{
    char[] copy = new char[newLength];
    //拷贝数组
    System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
                         Math.min(original.length, newLength));
    return copy;

}

AbstractStringBuilder的append()方法源码的第六行,是将String对象里面char数组里面的内容拷贝到StringBuilder对象的char数组里面,代码如下:
str.getChars(0, len, value, count);
getChars()方法
public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin{
    //中间省略了一些检查
    …   
    System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd – srcBegin);
    }
拷贝流程见下图
假设现在有两个线程同时执行了StringBuilder的append()方法,两个线程都执行完了第五行的ensureCapacityInternal()方法,此刻count=5。
这个时候线程1的cpu时间片用完了,线程2继续执行。线程2执行完整个append()方法后count变成6了
线程1继续执行第六行的str.getChars()方法的时候拿到的count值就是6了,执行char数组拷贝的时候就会抛出ArrayIndexOutOfBoundsException异常。
至此,StringBuilder为什么不安全已经分析完了。如果我们将测试代码的StringBuilder对象换成StringBuffer对象会输出什么呢?
当然是输出10000啦!
那么StringBuffer用什么手段保证线程安全的?这个问题你点进StringBuffer的append()方法里面就知道了。
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