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

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