java面试题:为什么 StringBuilder 不是线程安全的?

引言

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

在分析这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。

StringBuffer 和 StringBuilder 的 3 个区别:
StringBuffer 和 StringBuilder 它们都是可变的字符串,不过它们之间的区别是 Java 初中级面试出现几率十分高的一道题。

先看看 StringBuffer 和 StringBuilder 的类结构吧:
java面试题:为什么 StringBuilder 不是线程安全的?_第1张图片
其实很简单,就是继承了一个抽象的字符串父类:AbstractStringBuilder。下面我们再来看看它们的三个区别。

区别1:线程安全

  • StringBuffer:线程安全。
  • StringBuilder:线程不安全。

因为 StringBuffer 的所有公开方法都是synchronized 修饰的,而StringBuilder 并没有 synchronized 修饰。

StringBuffer 代码片段:

@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
    toStringCache = null;
    super.append(str);
    return this;
}

区别2:缓冲区
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可以看出,StringBuffer 每次获取 toString 都会直接使用缓存区的 toStringCache 值来构造一个字符串。

而 StringBuilder 则每次都需要复制一次字符数组,再构造一个字符串。

所以,缓存冲这也是对 StringBuffer 的一个优化吧,不过 StringBuffer 的这个toString 方法仍然是同步的。

区别3:性能

既然 StringBuffer 是线程安全的,它的所有公开方法都是同步的,StringBuilder 是没有对方法加锁同步的,所以毫无疑问,StringBuilder 的性能要远大于 StringBuffer。

总结

所以,StringBuffer 适用于用在多线程操作同一个 StringBuffer 的场景,如果是单线程场合 StringBuilder 更适合。

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。
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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?
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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)

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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。

java面试题:为什么 StringBuilder 不是线程安全的?_第6张图片java面试题:为什么 StringBuilder 不是线程安全的?_第7张图片
拷贝流程见下图

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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。

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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。

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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?

在这里插入图片描述
当然是输出10000啦!

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