StringBuilder為什麼執行緒不安全？

2019 年 10 月 4 日
筆記

作者：千山 juejin.im/post/5d6228046fb9a06add4e37fe

引言

面試官：StringBuilder和StringBuffer的區別在哪？

我：StringBuilder不是執行緒安全的，StringBuffer是執行緒安全的

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不是執行緒安全的，StringBuffer是執行緒安全的這個結論，至於StringBuilder為什麼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數組存儲字元串的，不同的是String類裡面的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。

首先通過一段程式碼去看一下多執行緒操作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());      }    }

我們能看到這段程式碼創建了10個執行緒，每個執行緒循環1000次往StringBuilder對象裡面append字元。正常情況下程式碼應該輸出10000，但是實際運行會輸出什麼呢？

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

1、為什麼輸出值跟預期值不一樣

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

//存儲字元串的具體內容  char[] value;  //已經使用的字元數組的數量  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;  }

我們先不管程式碼的第五行和第六行幹了什麼，直接看第七行，count += len不是一個原子操作。假設這個時候count值為10，len值為1，兩個執行緒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，所以兩個執行緒執行完後count值為11，而不是12。這就是為什麼測試程式碼輸出的值要比10000小的原因。

2、為什麼會拋出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元串，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對象裡面char數組裡面的內容拷貝到StringBuilder對象的char數組裡面，程式碼如下：

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

假設現在有兩個執行緒同時執行了StringBuilder的append()方法，兩個執行緒都執行完了第五行的ensureCapacityInternal()方法，此刻count=5。

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

執行緒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為什麼不安全已經分析完了。如果我們將測試程式碼的StringBuilder對象換成StringBuffer對象會輸出什麼呢？

當然是輸出10000啦！

那麼StringBuffer用什麼手段保證執行緒安全的？這個問題你點進StringBuffer的append()方法裡面就知道了。