JUC并发编程(17.共享模型之不可变）

深碍√TFBOYSˉ_ 2023-09-24 22:11 73阅读 0赞

内容:

*  不可变类的使用
 *  不可变类设计
 *  无状态类设计

# 1.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`

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

## 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：

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：

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。

# 2.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
    	// ...
    }

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

## 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）】`

# 3.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】`

# 4.享元模式 #

## 1.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`  
wikipedia： A flyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data as possible with other similar objects  
出自 “Gang of Four” design patterns  
归类 Structual patterns

### 1）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

## 2.体现 ##

## DIY连接池 ##

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`。

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 {
        
    	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

# 5.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

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

# 4.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