剑指JUC原理-11.不可变设计

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文章目录

- 日期转换的问题
- - 问题提出
  - 思路 - 同步锁
  - 思路 - 不可变
- 不可变设计
- - final 的使用
  - 保护性拷贝
  - 享元模式
  - - 简介
    - 体现
    - - 包装类
  - DIY
  - final原理
  - - 设置 final 变量的原理
    - 获取 final 变量的原理
    - - 常量池、堆、栈的概念
      - 常量池
        堆
        栈
- 无状态

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

java">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

原因：

因为其内部的一些属性是可变的，所以多个线程访问就会出现问题。

SimpleDateFormat是Java中的日期格式化类，它不是线程安全的。当多个线程同时访问同一个SimpleDateFormat实例时，会导致竞争条件和数据不一致的问题。

SimpleDateFormat内部维护了一个Calendar实例作为工作对象，用于解析和格式化日期。在多线程环境下，多个线程同时调用SimpleDateFormat的方法可能会导致多个线程并发地修改共享的Calendar实例，造成数据混乱。

具体表现为，一个线程正在执行格式化操作，而另一个线程突然调用了parse()方法进行解析，这时两个线程都会对内部的Calendar实例进行修改，导致结果不可预测。

思路 - 同步锁

这样虽能解决问题，但带来的是性能上的损失，并不算很好：

java">SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (sdf) {
                    try {
                        log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("{}", e);
                    }
                }
            }).start();
        }

思路 - 不可变

如果一个对象在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：

java">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

java">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：

java">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：

java">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）】

但是却会带来一定的问题，对象创建的太多频繁，为了解决这个问题，所以一般都会关联一个设计模式。

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（每次保护性拷贝都需要创建新的字符串，如果有取值相同的对象已经有了，那就可以重用这些对象，而不是每次都创建新的）

体现

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：

java">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

DIY

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。

java">class Pool {
    // 1. 连接池大小
    private final int poolSize;
    // 2. 连接对象数组
    private Connection[] connections;
    // 3. 连接状态数组 0 表示空闲， 1 表示繁忙
    private AtomicIntegerArray states;
    // 4. 构造方法初始化
    public Pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.connections = new Connection[poolSize];
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            connections[i] = new MockConnection("连接" + (i+1));
        }
    }
    // 5. 借连接
    public Connection borrow() {
        while(true) {
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                // 获取空闲连接
                if(states.get(i) == 0) {
                    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 < poolSize; i++) {
            if (connections[i] == conn) {
                states.set(i, 0);
                synchronized (this) {
                    log.debug("free {}", conn);
                    this.notifyAll();
                }
                break;
            }
        }
    }
}
class MockConnection implements Connection {
    // 实现略
}

使用连接池：

java">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();
        }

输出：

连接1
连接2
borrow MockConnection@1c1832d4
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
wait...
wait...
free MockConnection@6f6b8a01
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
wait...
free MockConnection@6f6b8a01
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
free MockConnection@1c1832d4
borrow MockConnection@1c1832d4
free MockConnection@6f6b8a01
free MockConnection@1c1832d4

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

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

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

java">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（写屏障的优势：保证写屏障之前的指令不会被重排序到写屏障后面去、能保障写屏障所有的修改操作，再写屏障之后被同步到主存），保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况。

如果不加final，其实是分两步走的，第一步先是分配空间，还没有赋值，初始值是0.如果此时其他线程看到了赋值之前的零，那么变量的使用就是不正确的。

获取 final 变量的原理

在Java中，获取final变量的原理与获取普通变量的原理是一样的，都是在运行时访问内存中的变量值。不同的是，对于final变量，编译器会进行优化，将其存储在常量池中，而非存储在堆或栈中。

当程序需要访问final变量时，实际上是直接从常量池中读取该变量的值，而不是从内存中读取。这样可以提高程序的执行效率，避免了不必要的内存操作。

常量池、堆、栈的概念

常量池

位于方法区（JDK7及之前）或元空间（JDK8及之后）中。
用于存储编译期生成的字面量（Literal）和符号引用（Symbolic Reference）。
存储字符串常量、类和接口的全限定名、字段和方法的名称和描述符等。
常量池的内容在编译时确定，并保存在class文件中，运行时被加载到内存中。
常量池中的数据是不可修改的，可以被多个对象共享。

堆

用于存储对象实例，包括通过new关键字创建的对象。
位于Java虚拟机内存中的一块较大的区域。
堆中的对象由垃圾回收器自动管理，通过垃圾回收机制来释放不再使用的对象。
对象在堆中分配内存，对象的引用存储在栈中。

栈

位于线程私有的内存区域。
每个线程都有自己的栈，用于存储局部变量、方法调用和方法返回等。
栈中的数据是按照“后进先出”的原则进行操作。
栈的大小在虚拟机启动时就可以固定，随着线程的创建和销毁而动态改变。

简单来说，常量池主要用于存储编译期生成的字面量和符号引用，堆用于存储对象实例，栈用于存储方法调用和局部变量。常量池的内容是不可修改的，堆和栈中的数据是动态变化的，并且随着程序的执行而进行内存分配和回收。

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】