Java：并发笔记-07

Java：并发笔记-07

说明：这是看了 bilibili 上 黑马程序员 的课程 java并发编程 后做的笔记

6. 共享模型之不可变

本章内容

• 不可变类的使用
• 不可变类设计
• 无状态类设计

6.1 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 {
            LoggerUtils.LOGGER.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
        } catch (ParseException e) {
            LoggerUtils.LOGGER.debug("{}", 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：

Exception in thread "Thread-0" java.lang.NumberFormatException: multiple points
...
Exception in thread "Thread-9" java.lang.NumberFormatException: multiple points
...
Exception in thread "Thread-2" java.lang.NumberFormatException: For input string: ""
,,,

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 < 10; i++) {
    new Thread(()->{
        synchronized (sdf){
            try {
                LoggerUtils.LOGGER.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
            } catch (ParseException e) {
                LoggerUtils.LOGGER.debug("{}", 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);
        LoggerUtils.LOGGER.debug("{}", date);
    }).start();
}

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

@implSpec
This class is immutable and thread-safe.
// 这个类是不可变的和线程安全的。

不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

6.2 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

	// ...
}

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）】 **

模式：享元

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

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：

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（每秒查询数） 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 connection){
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            if(connections[i] == connection){
                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;
    }

    // ... 其他代码 略
}

使用连接池：

Pool pool = new Pool(2);
for (int i = 0; i < 5; i++) {
    new Thread(()->{
        Connection connection = pool.borrow();
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        pool.free(connection);
    }).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

原理：final

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

final 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。

6.3 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】

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