JUC学习之不可变
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
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
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