StringBuilder 为什么线程不安全?
发布于 1 个月前 作者 yan 69 次浏览

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转自:掘金,作者:千山qianshan

juejin.im/post/5d6228046fb9a06add4e37fe

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](/user/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](/user/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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