併發編程進階之----共享模型之不可變

併發編程進階之----共享模型之不可變

1、日期轉換的問題

問題提出
下面的代碼在運行時，由於 SimpleDateFormat 不是線程安全的

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();
}

有很大機率出現 java.lang.NumberFormatException 或者出現不正確的日期解析結果，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 - 同步鎖
這樣雖能解決問題，但帶來的是性能上的損失，並不算很好：

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 - 不可變
如果一個對象在不能夠修改其內部狀態（屬性），那麼它就是線程安全的，因爲不存在併發修改啊！這樣的對象在Java 中有很多，例如在 Java 8 後，提供了一個新的日期格式化類：

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 的文檔：

@implSpec
This class is immutable and thread-safe.

不可變對象，實際是另一種避免競爭的方式。

2、不可變設計
另一個大家更爲熟悉的 String 類也是不可變的，以它爲例，說明一下不可變設計的要素

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
發現該類、類中所有屬性都是 final 的

保護性拷貝
但有人會說，使用字符串時，也有一些跟修改相關的方法啊，比如 substring 等，那麼下面就看一看這些方法是如何實現的，就以 substring 爲例：

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);
}

發現其內部是調用 String 的構造方法創建了一個新字符串，再進入這個構造看看，是否對 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);
	 }
	 //生成新的 char[] value，對內容進行復制
	 this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

結果發現也沒有，構造新字符串對象時，會生成新的 char[] value，對內容進行復制 。這種通過創建副本對象來避免共享的手段稱之爲【保護性拷貝（defensive copy）】

3、 模式之享元

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);
}

3、DIY
例如：一個線上商城應用，QPS 達到數千，如果每次都重新創建和關閉數據庫連接，性能會受到極大影響。 這時預先創建好一批連接，放入連接池。一次請求到達後，從連接池獲取連接，使用完畢後再還回連接池，這樣既節約了連接的創建和關閉時間，也實現了連接的重用，不至於讓龐大的連接數壓垮數據庫。

public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
	    /*使用連接池*/
        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 = "c.Pool")
class Pool {
    // 1. 連接池大小
    private final int poolSize;

    // 2. 連接對象數組
    private Connection[] connections;

    // 3. 連接狀態數組 0 表示空閒， 1 表示繁忙
    private AtomicIntegerArray states;

    // 4. 構造方法初始化
    public Pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.connections = new Connection[poolSize];
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);//使用AtomicIntegerArray保證states的線程安全
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            connections[i] = new MockConnection("連接" + (i+1));
        }
    }

    // 5. 借連接
    public Connection borrow() {
        while(true) {
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                // 獲取空閒連接
                if(states.get(i) == 0) {
                    if (states.compareAndSet(i, 0, 1)) {//使用compareAndSet保證線程安全
                        log.debug("borrow {}", connections[i]);
                        return connections[i];
                    }
                }
            }
            // 如果沒有空閒連接，當前線程進入等待
            synchronized (this) {
                try {
                    log.debug("wait...");
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    // 6. 歸還連接
    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 + '\'' +
                '}';
    }
	.........

4、final 原理

4.1 設置 final 變量的原理
理解了 volatile 原理，再對比 final 的實現就比較簡單了

public class TestFinal {
 final int a = 20; 
 }

字節碼

0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 20
7: putfield #2 // Field a:I
 <-- 寫屏障
10: retu

發現 final 變量的賦值也會通過 putfield 指令來完成，同樣在這條指令之後也會加入寫屏障，保證在其它線程讀到它的值時不會出現爲 0 的情況。