淺談Java StringBuilder為什么線程不安全

引言

面試官：StringBuilder和StringBuffer的區別在哪？

我：StringBuilder不是線程安全的，StringBuffer是線程安全的

面試官：那StringBuilder不安全的點在哪兒？

我：。。。（啞巴了）

在這之前我只記住了StringBuilder不是線程安全的，StringBuffer是線程安全的這個結論，至于StringBuilder為什么不安全從來沒有去想過。

分析

在分析這個問題之前我們要知道StringBuilder和StringBuffer的內部實現跟String類一樣，都是通過一個char數組存儲字符串的，不同的是String類里面的char數組是final修飾的，是不可變的，而StringBuilder和StringBuffer的char數組是可變的。

首先通過一段代碼去看一下多線程操作StringBuilder對象會出現什么問題

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());
  }
 
}

我們能看到這段代碼創建了10個線程，每個線程循環1000次往StringBuilder對象里面append字符。正常情況下代碼應該輸出10000，但是實際運行會輸出什么呢？

我們看到輸出了“9326”，小于預期的10000，并且還拋出了一個ArrayIndexOutOfBoundsException異常（異常不是必現）。

1、為什么輸出值跟預期值不一樣

我們先看一下StringBuilder的兩個成員變量（這兩個成員變量實際上是定義在AbstractStringBuilder里面的，StringBuilder和StringBuffer都繼承了AbstractStringBuilder）

//存儲字符串的具體內容
char[] value;
//已經使用的字符數組的數量
int count;

再看StringBuilder的append()方法：

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

StringBuilder的append()方法調用的父類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;
}

我們先不管代碼的第五行和第六行干了什么，直接看第七行，count += len不是一個原子操作。假設這個時候count值為10，len值為1，兩個線程同時執行到了第七行，拿到的count值都是10，執行完加法運算后將結果賦值給count，所以兩個線程執行完后count值為11，而不是12。這就是為什么測試代碼輸出的值要比10000小的原因。

2、為什么會拋出ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

我們看回AbstractStringBuilder的append()方法源碼的第五行，ensureCapacityInternal()方法是檢查StringBuilder對象的原char數組的容量能不能盛下新的字符串，如果盛不下就調用expandCapacity()方法對char數組進行擴容。

private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
    // overflow-conscious code
  if (minimumCapacity - value.length > 0)
    expandCapacity(minimumCapacity);
}

擴容的邏輯就是new一個新的char數組，新的char數組的容量是原來char數組的兩倍再加2，再通過System.arryCopy()函數將原數組的內容復制到新數組，最后將指針指向新的char數組。

void expandCapacity(int minimumCapacity) {
  //計算新的容量
  int newCapacity = value.length * 2 + 2;
  //中間省略了一些檢查邏輯
  ...
  value = Arrays.copyOf(value, newCapacity);
}

Arrys.copyOf()方法

public static char[] copyOf(char[] original, int newLength) {
  char[] copy = new char[newLength];
  //拷貝數組
  System.arraycopy(original, 0, copy, 0,
             Math.min(original.length, newLength));
  return copy;
}

AbstractStringBuilder的append()方法源碼的第六行，是將String對象里面char數組里面的內容拷貝到StringBuilder對象的char數組里面，代碼如下：

str.getChars(0, len, value, count);

getChars()方法

public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
  //中間省略了一些檢查
  ...  
  System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
  }

拷貝流程見下圖

假設現在有兩個線程同時執行了StringBuilder的append()方法，兩個線程都執行完了第五行的ensureCapacityInternal()方法，此刻count=5。

這個時候線程1的cpu時間片用完了，線程2繼續執行。線程2執行完整個append()方法后count變成6了

線程1繼續執行第六行的str.getChars()方法的時候拿到的count值就是6了，執行char數組拷貝的時候就會拋出ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

至此，StringBuilder為什么不安全已經分析完了。如果我們將測試代碼的StringBuilder對象換成StringBuffer對象會輸出什么呢？

當然是輸出10000啦！

那么StringBuffer用什么手段保證線程安全的？這個問題你點進StringBuffer的append()方法里面就知道了。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。