為什麼StringBuilder是執行緒不安全的？
在前面的面試題講解中我們對比了String、StringBuilder和StringBuffer的區別，其中一項便提到StringBuilder是非執行緒安全的，那麼是什麼原因導致了StringBuilder的執行緒不安全呢？
原因分析
如果你看了StringBuilder或StringBuffer的原始碼會說，因為StringBuilder在append操作時並未使用執行緒同步，而StringBuffer幾乎大部分方法都使用了synchronized關鍵字進行方法級別的同步處理。
上面這種說法肯定是正確的，對照一下StringBuilder和StringBuffer的部分原始碼也能夠看出來。
StringBuilder的append方法原始碼：
@Override
public StringBuilder append(String str) {
super.append(str);
return this;
}
StringBuffer的append方法原始碼：
@Override
public synchronized StringBuffer append(String str) {
toStringCache = null;
super.append(str);
return this;
}
對於上面的結論肯定是沒什麼問題的，但並沒有解釋是什麼原因導致了StringBuilder的執行緒不安全？為什麼要使用synchronized來保證執行緒安全？如果不是用會出現什麼異常情況？
下面我們來逐一講解。
異常範例
我們先來跑一段程式碼範例，看看出現的結果是否與我們的預期一致。
@Test
public void test() throws InterruptedException {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
sb.append("a");
}
}).start();
}
// 睡眠確保所有執行緒都執行完
Thread.sleep(1000);
System.out.println(sb.length());
}
上述業務邏輯比較簡單，就是構建一個StringBuilder，然後建立10個執行緒，每個執行緒中拼接字串「a」1000次，理論上當執行緒執行完成之後，列印的結果應該是10000才對。
但多次執行上面的程式碼列印的結果是10000的概率反而非常小，大多數情況都要少於10000。同時，還有一定的概率出現下面的異常資訊「
Exception in thread "Thread-0" java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException
at java.lang.System.arraycopy(Native Method)
at java.lang.String.getChars(String.java:826)
at java.lang.AbstractStringBuilder.append(AbstractStringBuilder.java:449)
at java.lang.StringBuilder.append(StringBuilder.java:136)
at com.secbro2.strings.StringBuilderTest.lambda$test$0(StringBuilderTest.java:18)
at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
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執行緒不安全的原因
StringBuilder中針對字串的處理主要依賴兩個成員變數char陣列value和count。StringBuilder通過對value的不斷擴容和count對應的增加來完成字串的append操作。
// 儲存的字串（通常情況一部分為字串內容，一部分為預設值）
char[] value;
// 陣列已經使用數量
int count;
上面的這兩個屬性均位於它的抽象父類別AbstractStringBuilder中。
如果檢視構造方法我們會發現，在建立StringBuilder時會設定陣列value的初始化長度。
public StringBuilder(String str) {
super(str.length() + 16);
append(str);
}
預設是傳入字串長度加16。這就是count存在的意義，因為陣列中的一部分內容為預設值。
當呼叫append方法時會對count進行增加，增加值便是append的字串的長度，具體實現也在抽象父類別中。
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;
}
我們所說的執行緒不安全的發生點便是在append方法中count的「+=」操作。我們知道該操作是執行緒不安全的，那麼便會發生兩個執行緒同時讀取到count值為5，執行加1操作之後，都變成6，而不是預期的7。這種情況一旦發生便不會出現預期的結果。
拋異常的原因
回頭看異常的堆疊資訊，回發現有這麼一行內容：
at java.lang.String.getChars(String.java:826)
對應的程式碼就是上面AbstractStringBuilder中append方法中的程式碼。對應方法的原始碼如下：
public void getChars(int srcBegin, int srcEnd, char dst[], int dstBegin) {
if (srcBegin < 0) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcBegin);
}
if (srcEnd > value.length) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd);
}
if (srcBegin > srcEnd) {
throw new StringIndexOutOfBoundsException(srcEnd - srcBegin);
}
System.arraycopy(value, srcBegin, dst, dstBegin, srcEnd - srcBegin);
}
其實異常是最後一行arraycopy時JVM底層發生的。arraycopy的核心操作就是將傳入的String物件copy到value當中。
而異常發生的原因是明明value的下標只到6，程式卻要存取和操作下標為7的位置，當然就跑異常了。
那麼，為什麼會超出這麼一個位置呢？這與我們上面講到到的count被少加有關。在執行str.getChars方法之前還需要根據count校驗一下當前的value是否使用完畢，如果使用完了，那麼就進行擴容。append中對應的方法如下：
ensureCapacityInternal(count + len);
ensureCapacityInternal的具體實現：
private void ensureCapacityInternal(int minimumCapacity) {
// overflow-conscious code
if (minimumCapacity - value.length > 0) {
value = Arrays.copyOf(value,
newCapacity(minimumCapacity));
}
}
count本應該為7，value長度為6，本應該觸發擴容。但因為並行導致count為6，假設len為1，則傳遞的minimumCapacity為7，並不會進行擴容操作。這就導致後面執行str.getChars方法進行復制操作時存取了不存在的位置，因此丟擲異常。
這裡我們順便看一下擴容方法中的newCapacity方法：
private int newCapacity(int minCapacity) {
// overflow-conscious code
int newCapacity = (value.length << 1) + 2;
if (newCapacity - minCapacity < 0) {
newCapacity = minCapacity;
}
return (newCapacity <= 0 || MAX_ARRAY_SIZE - newCapacity < 0)
? hugeCapacity(minCapacity)
: newCapacity;
}
除了校驗部分，最核心的就是將新陣列的長度擴充為原來的兩倍再加2。把計算所得的新長度作為Arrays.copyOf的引數進行擴容。
小結
經過上面的分析，是不是真正瞭解了StringBuilder的執行緒不安全的原因？我們在學習和實踐的過程中，不僅要知道一些結論，還要知道這些結論的底層原理，更重要的是學會分析底層原理的方法。
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