Java并发编程(八) （共享模型之不可变） _ 不可变对象设计(String保护性拷贝)、final的使用、享元模式·

一、 不可变类设计 String·

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

  • 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

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。

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

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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：

java.lang.NumberFormatException: For input string: “.19511951E4” at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65) at java.lang.Long.parseLong(Long.java:578) 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:1869) at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) at com.guizy.cas.Test2.lambda$main$0(Test2.java:20) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) java.lang.NumberFormatException: For input string: “” at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65) at java.lang.Long.parseLong(Long.java:601) at java.lang.Long.parseLong(Long.java:631) at java.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195) at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084) at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869) at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) at com.guizy.cas.Test2.lambda$main$0(Test2.java:20) at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 21:22:13.526 guizy.Test2 [Thread-8] - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 21:22:13.525 guizy.Test2 [Thread-0] - Wed Feb 21 00:00:00 CST 1951

  • 思路: 使用同步锁 这样虽能解决问题，但带来的是性能上的损失，并不算很好, 加锁耗性能
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@Slf4j(topic = "guizy.Test2")
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (sdf) {
                    try {
                        log.debug("{}", sdf.parse("2020-12-29"));
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }
    }
}

21:24:31.989 guizy.Test2 [Thread-0] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.000 guizy.Test2 [Thread-9] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.000 guizy.Test2 [Thread-8] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.000 guizy.Test2 [Thread-7] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.001 guizy.Test2 [Thread-6] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.001 guizy.Test2 [Thread-5] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.001 guizy.Test2 [Thread-4] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.002 guizy.Test2 [Thread-3] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.002 guizy.Test2 [Thread-2] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020 21:24:32.002 guizy.Test2 [Thread-1] - Sat Apr 29 00:00:00 CST 2020

  • 思路 - 使用JD8中的 不可变日期格式化类
  • 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：
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@Slf4j(topic = "guizy.Test2")
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                TemporalAccessor date = dtf.parse("2020-12-29");
                log.debug("{}", date);
            }).start();
        }
    }
}

21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-0] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.843 guizy.Test2 [Thread-1] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-8] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-9] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-2] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.843 guizy.Test2 [Thread-4] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.843 guizy.Test2 [Thread-3] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-7] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-6] - {},ISO resolved to 2020-12-29 21:38:54.842 guizy.Test2 [Thread-5] - {},ISO resolved to 2020-12-29

可以看 DateTimeFormatter 的文档： image.png

  • 不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

2、final 的使用·

  • Integer、Double、String、DateTimeFormatter以及基本类型包装类, 都是使用final来修饰的
  • 另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变类设计的要素
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public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];	// 在JDK9 使用了byte[] 数组
    /** 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。

2.1、保护性拷贝·

  • 使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如substring、replace 等，那么下面就看一看这些方法是 如何实现的，就以 substring 为例：
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public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    // 上面是一些校验，下面才是真正的创建新的String对象
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
            : new String(value, beginIndex, subLen);
}

  • 发现其方法最后是调用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：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）】
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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;
        }
    }
    // Note: offset or count might be near -1>>>1.
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    // 上面是一些安全性的校验，下面是给String对象的value赋值，新创建了一个数组来保存String对象的值
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

2.2、final原理·

设置 final 变量的原理·

  • 理解了 volatile 原理 (读写屏障)，再对比 final 的实现就比较简单了
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public class TestFinal {
 final int a = 20; 
 }

字节码

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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: retu

  • 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。

获取final变量的原理·

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、享元设计模式·

简介定义英文名称：Flyweight pattern, 重用数量有限的同一类对象。

  • 结构型模式

享元模式的体现

  • 1、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
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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
  • Boolean 缓存了 TRUE 和 FALSE
  • 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
  • 2、String 串池
  • 3、BigDecimal, BigInteger

image.png

5、实现一个简单的连接池·

  • 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。
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/**
 * Description: 简易连接池
 *
 * @author guizy
 * @date 2020/12/29 21:21
 */
public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        /*使用连接池*/
        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();
        }
    }
}

@Slf4j(topic = "guizy.Pool")
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]);//使用AtomicIntegerArray保证states的线程安全
        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)) {//使用compareAndSet保证线程安全
                        log.debug("borrow {}", connections[i]);
                        return connections[i];
                    }
                }
            }
            // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待, 如果不写这个synchronized,其他线程不会进行等待, 
            // 一直在上面while(true), 空转, 消耗cpu资源
            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 {

    private String name;

    public MockConnection(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MockConnection{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
    
    // Connection 实现方法略
}

22:01:07.000 guizy.Pool [Thread-2] - wait… 22:01:07.000 guizy.Pool [Thread-0] - borrow MockConnection{name=‘连接1’} 22:01:07.005 guizy.Pool [Thread-4] - wait… 22:01:07.000 guizy.Pool [Thread-1] - borrow MockConnection{name=‘连接2’} 22:01:07.006 guizy.Pool [Thread-3] - wait… 22:01:07.099 guizy.Pool [Thread-0] - free MockConnection{name=‘连接1’} 22:01:07.099 guizy.Pool [Thread-2] - wait… 22:01:07.099 guizy.Pool [Thread-3] - borrow MockConnection{name=‘连接1’} 22:01:07.099 guizy.Pool [Thread-4] - wait… 22:01:07.581 guizy.Pool [Thread-3] - free MockConnection{name=‘连接1’} 22:01:07.582 guizy.Pool [Thread-2] - borrow MockConnection{name=‘连接1’} 22:01:07.582 guizy.Pool [Thread-4] - wait… 22:01:07.617 guizy.Pool [Thread-1] - free MockConnection{name=‘连接2’} 22:01:07.618 guizy.Pool [Thread-4] - borrow MockConnection{name=‘连接2’} 22:01:07.955 guizy.Pool [Thread-4] - free MockConnection{name=‘连接2’} 22:01:08.552 guizy.Pool [Thread-2] - free MockConnection{name=‘连接1’}

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