面試懵了：StringBuilder爲何線程不安全

引言

週五去面試又被面試的一個問題問啞吧了

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：。。。（啞吧了）

在這以前我只記住了StringBuilder不是線程安全的，StringBuffer是線程安全的這個結論，至於StringBuilder爲何不安全歷來沒有去想過。

分析

在分析設個問題以前咱們要知道StringBuilder和StringBuffer的內部實現跟String類同樣，都是經過一個char數組存儲字符串的，不一樣的是String類裏面的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。

首先經過一段代碼去看一下多線程操做StringBuilder對象會出現什麼問題

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());
    }

}

咱們能看到這段代碼建立了10個線程，每一個線程循環1000次往StringBuilder對象裏面

append字符。正常狀況下代碼應該輸出10000，可是實際運行會輸出什麼呢？

咱們看到輸出了「9326」，小於預期的10000，而且還拋出了一個ArrayIndexOutOfBoundsException異常（異常不是必現）。

一、爲何輸出值跟預期值不同

咱們先看一下StringBuilder的兩個成員變量（這兩個成員變量其實是定義在AbstractStringBuilder裏面的，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

1.public AbstractStringBuilder append(String str) {
2.    if (str == null)
3.        return appendNull();
4.    int len = str.length();
5.    ensureCapacityInternal(count + len);
6.    str.getChars(0, len, value, count);
7.    count += len;
8.    return this;
9.}

咱們先無論代碼的第五行和第六行幹了什麼，直接看第七行，count += len不是一個原子操做。假設這個時候count值爲10，len值爲1，兩個線程同時執行到了第七行，拿到的count值都是10，執行完加法運算後將結果賦值給count，因此兩個線程執行完後count值爲11，而不是12。這就是爲何測試代碼輸出的值要比10000小的緣由。

二、爲何會拋出ArrayIndexOutOfBoundsException異常。

咱們看回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，若是盛不下就調用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，再經過System.arryCopy()函數將原數組的內容複製到新數組，最後將指針指向新的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對象裏面char數組裏面的內容拷貝到StringBuilder對象的char數組裏面，代碼以下：

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

假設如今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()方法後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爲何不安全已經分析完了。若是咱們將測試代碼的StringBuilder對象換成StringBuffer對象會輸出什麼呢？

固然是輸出10000啦！

那麼StringBuffer用什麼手段保證線程安全的？這個問題你點進StringBuffer的append()方法裏面就知道了。