为什么StringBuilder不是线程安全的？

引言

周五去面试又被面试的一个问题问哑巴了

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

在分析设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

`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.}`

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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