共享模型之不可变

目录

问题的提出

思路 - 同步锁

思路 - 不可变

不可变设计

final 的使用

保护性拷贝

设置 final 变量的原理

获取final变量的原理

---

问题的提出

日 期 转 换 的 问 题

public class ThreadText {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    System.out.println(sdf.parse("1951-04-21"));
                } catch (ParseException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }).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：

上述代码会出现线程安全问题，因为SimpleDateFormat对象并不是线程安全的，即多个线程同时调用SimpleDateFormat实例的同一个方法时可能会产生冲突。

在多线程环境下，如果多个线程同时访问SimpleDateFormat对象的同一个方法，那么会出现问题：

线程安全问题：SimpleDateFormat是非线程安全的类，如果多个线程同时访问，可能会导致解析错误或者计算结果混乱

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：  

public class ThreadText {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 50; i++) {
            new Thread(() -> {
                synchronized (sdf) {
                    try {
                        System.out.println(sdf.parse("1951-04-21"));
                    } catch (Exception e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).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：

public class ThreadText {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                LocalDate date = dtf.parse("2023-06-15", LocalDate::from);
                System.out.println(date);
            }).start();
        }
    }
}

 

不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

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, 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：

 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：

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）】

设置 final 变量的原理

public class TestFinal {
    final int a = 20;
}

字节码

0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()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 

 获取final变量的原理

首先，final变量会被显式初始化或在构造函数中初始化。在编译期间，final变量的值就已经确定并被存储在常量池中，而不是在运行时通过初始化代码计算得到。

因为final变量的值已经确定，Java虚拟机在读取final变量的值时，会直接从常量池中读取，而不是从堆内存中读取。因此，获取final变量的过程可以看作是一个常量折叠过程：编译器在编译期间把所有引用final变量的地方替换成该变量的值。

这种优化方式的好处在于可以加快程序的执行速度，同时也可以避免线程安全问题，因为final变量的值不可修改，也不需要进行同步处理。

除此之外，final变量也具有内存可见性，即使在多线程环境下，其值也能够保证对其他线程是可见的。这是因为，当一个线程将final变量的值写入主内存后，其他线程读取该变量时，会从主内存加载该变量的值，而不是从自己线程内部的缓存中加载，从而保证了线程之间final变量值的可见性。

综上，获取final变量的原理是通过常量池来实现的，其值在编译期间被确定并存储在常量池中。这种方式具有较高的执行效率和线程安全性，同时也保证了final变量值在多线程环境下的可见性。