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

package Immuate;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.SimpleDateFormat;

@Slf4j
public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                } catch (Exception e) {
                    log.error("{}", e);
                }
            }).start();
        }
    }
}

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：

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

package Immuate;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.SimpleDateFormat;

@Slf4j
public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            new Thread(() ->
            {
                try {
                    synchronized (sdf)
                    {
                        log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                    }
                } catch (Exception e) {
                    log.error("{}", e);
                }
            }).start();
        }
    }
}

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：

package Immuate;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.time.LocalDate;
import java.time.format.DateTimeFormatter;

@Slf4j
public class Main
{
    public static void main(String[] args)
    {
        DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                LocalDate date = dtf.parse("2018-10-01", LocalDate::from);
                log.debug("{}", date);
            }).start();
        }
    }
}

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

@implSpec
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

public final class String
 implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
 /** The value is used for character storage. */
 private final char value[];
 /** Cache the hash code for the string */
 private int hash; // Default to 0
 
 // ...
 
}

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：

public String substring(int beginIndex) {
 if (beginIndex < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
 }
 int subLen = value.length - beginIndex;
 if (subLen < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
 }
 return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

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：

public String(char value[], int offset, int count) {
 if (offset < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
 }
 if (count <= 0) {
 if (count < 0) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
 }
 if (offset <= value.length) {
 this.value = "".value;
 return;
 }
 }
 if (offset > value.length - count) {
 throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
 }
 this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

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

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

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。

package MockPool;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

@Slf4j
public class Pool
{
  //连接池的默认大小
  private int size;
  //连接池数组
  private Connection[] connections;
  //连接状态数组----> 0表示空闲, 1表示繁忙
  private AtomicIntegerArray states;
  //构造方法初始化
  public Pool(int size)
  {
      this.size=size;
      this.connections=new Connection[size];
      this.states=new AtomicIntegerArray(new int[size]);
      for (int i=0;i<size;i++)
      {
          connections[i]=new Connection("连接"+(i+1));
      }
  }
  //借取连接
  public Connection borrow()
  {
      while(true)
      {
         for(int i=0;i<this.size;i++)
         {
             //当前存在剩余的空闲连接
             if(states.get(i)==0)
             {
                 //cas确保多线程下不会存在并发问题
                 if(states.compareAndSet(i,0,1))
                 {
                     log.debug("borrow {}",connections[i]);
                     return connections[i];
                 }
             }
         }
          // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待
          synchronized (this) {
              try {
                  log.debug("wait...");
                  this.wait();
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
          }
      }
  }

    // 6. 归还连接
    public void free(Connection conn) 
    {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            if (connections[i] == conn) {
                states.set(i, 0);
                synchronized (this) {
                    log.debug("free {}", conn);
                    this.notifyAll();
                }
                break;
            }
        }
    }
}
//连接对象
@Slf4j
public class Connection
{
    public Connection(String msg)
    {
      log.debug("消息: {}",msg);
    }
}

使用连接池：

public class Main
{
    public static void main(String[] args) {
        Pool pool = new Pool(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                Connection conn = pool.borrow();
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                pool.free(conn);
            }).start();
        }
    }
}

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

public class TestFinal {
 final int a = 20;
  }

字节码

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