JUC学习之不可变

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日期转换的问题

问题提出：

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的

  1. package Immuate;
  3. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  5. import java.text.SimpleDateFormat;
  7. @Slf4j
  8. public class Main
  9. {
  10.     public static void main(String[] args)
  11.     {
  12.         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
  13.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  14.             new Thread(() -> {
  15.                 try {
  16.                     log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
  17.                 } catch (Exception e) {
  18.                     log.error("{}", e);
  19.                 }
  20.             }).start();
  21.         }
  22.     }
  23. }

有很大几率出现 java.lang.NumberFormatException 或者出现不正确的日期解析结果，例如：

  1. 19:10:40.859 [Thread-2] c.TestDateParse - {} 
  2. java.lang.NumberFormatException: For input string: "" 
  3.  at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65) 
  4.  at java.lang.Long.parseLong(Long.java:601) 
  5.  at java.lang.Long.parseLong(Long.java:631) 
  6.  at java.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195) 
  7.  at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084) 
  8.  at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:2162) 
  9.  at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) 
  10.  at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) 
  11.  at cn.itcast.n7.TestDateParse.lambda$test1$0(TestDateParse.java:18) 
  12.  at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 
  13. 19:10:40.859 [Thread-1] c.TestDateParse - {} 
  14. java.lang.NumberFormatException: empty String 
  15.  at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1842) 
  16.  at sun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110) 
  17.  at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:538) 
  18.  at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169) 
  19.  at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089) 
  20.  at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:2162) 
  21.  at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) 
  22.  at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) 
  23.  at cn.itcast.n7.TestDateParse.lambda$test1$0(TestDateParse.java:18) 
  24.  at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 
  25. 19:10:40.857 [Thread-8] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  26. 19:10:40.857 [Thread-9] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  27. 19:10:40.857 [Thread-6] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  28. 19:10:40.857 [Thread-4] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  29. 19:10:40.857 [Thread-5] c.TestDateParse - Mon Apr 21 00:00:00 CST 178960645 
  30. 19:10:40.857 [Thread-0] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  31. 19:10:40.857 [Thread-7] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
  32. 19:10:40.857 [Thread-3] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951

SimpleDateFormate为什么是线程不安全的

解决方法一: 加同步锁

  1. package Immuate;
  3. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  5. import java.text.SimpleDateFormat;
  7. @Slf4j
  8. public class Main
  9. {
  10.     public static void main(String[] args)
  11.     {
  12.         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
  13.         for (int i = 0; i < 10; i++)
  14.         {
  15.             new Thread(() ->
  16.             {
  17.                 try {
  18.                     synchronized (sdf)
  19.                     {
  20.                         log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
  21.                     }
  22.                 } catch (Exception e) {
  23.                     log.error("{}", e);
  24.                 }
  25.             }).start();
  26.         }
  27.     }
  28. }

解决思路二: 使用不可变对象

如果一个对象不能够修改其内部状态（属性），那么它就是线程安全的，因为不存在并发修改啊！这样的对象在Java 中有很多，例如在 Java 8 后，提供了一个新的日期格式化类：

  1. package Immuate;
  3. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  5. import java.text.SimpleDateFormat;
  6. import java.time.LocalDate;
  7. import java.time.format.DateTimeFormatter;
  9. @Slf4j
  10. public class Main
  11. {
  12.     public static void main(String[] args)
  13.     {
  14.         DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
  15.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
  16.             new Thread(() -> {
  17.                 LocalDate date = dtf.parse("2018-10-01", LocalDate::from);
  18.                 log.debug("{}", date);
  19.             }).start();
  20.         }
  21.     }
  22. }

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

  1. @implSpec
  2. This class is immutable and thread-safe.

不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

不可变设计

另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变设计的要素

  1. public final class String
  2.  implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
  3.  /** The value is used for character storage. */
  4.  private final char value[];
  5.  /** Cache the hash code for the string */
  6.  private int hash; // Default to 0
  7.  
  8.  // ...
  9.  
  10. }

final的使用

发现该类、类中所有属性都是 final 的

  • 属性用 final 修饰保证了该属性是只读的，不能修改
  • 类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性

保护性拷贝

但有同学会说，使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如 substring 等，那么下面就看一看这些方法是如何实现的，就以 substring 为例：

  1. public String substring(int beginIndex) {
  2.  if (beginIndex < 0) {
  3.  throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
  4.  }
  5.  int subLen = value.length - beginIndex;
  6.  if (subLen < 0) {
  7.  throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
  8.  }
  9.  return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
  10. }

发现其内部是调用 String 的构造方法创建了一个新字符串，再进入这个构造看看，是否对 final char[] value 做出了修改：

  1. public String(char value[], int offset, int count) {
  2.  if (offset < 0) {
  3.  throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
  4.  }
  5.  if (count <= 0) {
  6.  if (count < 0) {
  7.  throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
  8.  }
  9.  if (offset <= value.length) {
  10.  this.value = "".value;
  11.  return;
  12.  }
  13.  }
  14.  if (offset > value.length - count) {
  15.  throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
  16.  }
  17.  this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
  18. }

结果发现也没有，构造新字符串对象时，会生成新的 char[] value，对内容进行复制 。这种通过创建副本对象来避
免共享的手段称之为【保护性拷贝（defensive copy）】

享元模式

简介: 定义 英文名称：Flyweight pattern. 当需要重用数量有限的同一类对象时

享元模式详解

包装类

在JDK中 Boolean，Byte，Short，Integer，Long，Character 等包装类提供了 valueOf 方法，例如 Long 的valueOf 会缓存 -128~127 之间的 Long 对象，在这个范围之间会重用对象，大于这个范围，才会新建 Long 对象

  1. public static Long valueOf(long l) {
  2.         final int offset = 128;
  3.         if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
  4.             return LongCache.cache[(int)l + offset];
  5.         }
  6.         return new Long(l);
  7.     }

注意：

  • Byte, Short, Long 缓存的范围都是 -128~127

  • Character 缓存的范围是 0~127

  • Integer的默认范围是 -128~127
    最小值不能变
    但最大值可以通过调整虚拟机参数 -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high 来改变

  • Boolean 缓存了 TRUE 和 FALSE

String 串池

BigDecimal BigInteger

问: 线程安全对象为什么在使用的时候需要上锁

因为他们单个方法的执行都可以保证线程安全性，但是多个方法的组合使用确无法保证线程安全性.

连接池案例

例如：一个线上商城应用，QPS 达到数千，如果每次都重新创建和关闭数据库连接，性能会受到极大影响。 这时
预先创建好一批连接，放入连接池。一次请求到达后，从连接池获取连接，使用完毕后再还回连接池，这样既节约
了连接的创建和关闭时间，也实现了连接的重用，不至于让庞大的连接数压垮数据库。

  1. package MockPool;
  3. import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
  5. import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
  7. @Slf4j
  8. public class Pool
  9. {
  10.   //连接池的默认大小
  11.   private int size;
  12.   //连接池数组
  13.   private Connection[] connections;
  14.   //连接状态数组----> 0表示空闲, 1表示繁忙
  15.   private AtomicIntegerArray states;
  16.   //构造方法初始化
  17.   public Pool(int size)
  18.   {
  19.       this.size=size;
  20.       this.connections=new Connection[size];
  21.       this.states=new AtomicIntegerArray(new int[size]);
  22.       for (int i=0;i<size;i++)
  23.       {
  24.           connections[i]=new Connection("连接"+(i+1));
  25.       }
  26.   }
  27.   //借取连接
  28.   public Connection borrow()
  29.   {
  30.       while(true)
  31.       {
  32.          for(int i=0;i<this.size;i++)
  33.          {
  34.              //当前存在剩余的空闲连接
  35.              if(states.get(i)==0)
  36.              {
  37.                  //cas确保多线程下不会存在并发问题
  38.                  if(states.compareAndSet(i,0,1))
  39.                  {
  40.                      log.debug("borrow {}",connections[i]);
  41.                      return connections[i];
  42.                  }
  43.              }
  44.          }
  45.           // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待
  46.           synchronized (this) {
  47.               try {
  48.                   log.debug("wait...");
  49.                   this.wait();
  50.               } catch (InterruptedException e) {
  51.                   e.printStackTrace();
  52.               }
  53.           }
  54.       }
  55.   }
  57.     // 6. 归还连接
  58.     public void free(Connection conn) 
  59.     {
  60.         for (int i = 0; i < size; i++) {
  61.             if (connections[i] == conn) {
  62.                 states.set(i, 0);
  63.                 synchronized (this) {
  64.                     log.debug("free {}", conn);
  65.                     this.notifyAll();
  66.                 }
  67.                 break;
  68.             }
  69.         }
  70.     }
  71. }
  1. //连接对象
  2. @Slf4j
  3. public class Connection
  4. {
  5.     public Connection(String msg)
  6.     {
  7.       log.debug("消息: {}",msg);
  8.     }
  9. }

使用连接池：

  1. public class Main
  2. {
  3.     public static void main(String[] args) {
  4.         Pool pool = new Pool(2);
  5.         for (int i = 0; i < 5; i++) {
  6.             new Thread(() -> {
  7.                 Connection conn = pool.borrow();
  8.                 try {
  9.                     Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
  10.                 } catch (InterruptedException e) {
  11.                     e.printStackTrace();
  12.                 }
  13.                 pool.free(conn);
  14.             }).start();
  15.         }
  16.     }
  17. }

以上实现没有考虑：

  • 连接的动态增长与收缩
  • 连接保活（可用性检测）
  • 等待超时处理
  • 分布式 hash

对于关系型数据库，有比较成熟的连接池实现，例如c3p0, druid等 对于更通用的对象池，可以考虑使用apache commons pool，例如redis连接池可以参考jedis中关于连接池的实现

final 原理

1. 设置 final 变量的原理

理解了 volatile 原理，再对比 final 的实现就比较简单了

  1. public class TestFinal {
  2.  final int a = 20;
  3.   }

字节码

  1. 0: aload_0
  2. 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
  3. 4: aload_0
  4. 5: bipush 20
  5. 7: putfield #2 // Field a:I
  6.  <-- 写屏障
  7. 10: return

发现 final 变量的赋值也会通过 putfield 指令来完成，同样在这条指令之后也会加入写屏障，保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况

可见性

  • 写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中

  • 而读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据
    有序性

  • 写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后

  • 读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前

2. 获取 final 变量的原理

总结:

  • 变量加了final,例如int,数字比较小，就直接在栈内存中，数字超过短整型最大值，就放在常量池中
  • 不加final，就放在堆中
  • 显然堆的访问效率远不及栈

无状态

在 web 阶段学习时，设计 Servlet 时为了保证其线程安全，都会有这样的建议，不要为 Servlet 设置成员变量，这
种没有任何成员变量的类是线程安全的
因为成员变量保存的数据也可以称为状态信息，因此没有成员变量就称之为【无状态】

本章小结

  • 不可变类使用
  • 不可变类设计
  • 原理方面
  • final
  • 模式方面
  • 享元

版权说明 : 本文为转载文章, 版权归原作者所有 版权申明

原文链接 : https://cjdhy.blog.csdn.net/article/details/122276885

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