1.什么是线程不安全？
线程不安全也叫非线程安全，是指多线程执行中，程序的执行结果和预期的结果不符的情况就叫做线程不安全。
线程不安全的代码
SimpleDateFormat 就是一个典型的线程不安全事例，接下来我们动手来实现一下。首先我们先创建 10 个线程来格式化时间，时间格式化每次传递的待格式化时间都是不同的，所以程序如果正确执行将会打印 10 个不同的值，接下来我们来看具体的代码实现：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class SimpleDateFormatExample {
// 创建 SimpleDateFormat 对象
private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 执行时间格式化并打印结果
System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
}
});
}
}
}
我们预期的正确结果是这样的（10 次打印的值都不同）：
然而，以上程序的运行结果却是这样的：
从上述结果可以看出，当在多线程中使用 SimpleDateFormat 进行时间格式化是线程不安全的。
2.解决方案
SimpleDateFormat 线程不安全的解决方案总共包含以下 5 种：
- 将 SimpleDateFormat 定义为局部变量；
- 使用 synchronized 加锁执行；
- 使用 Lock 加锁执行（和解决方案 2 类似）；
- 使用 ThreadLocal；
- 使用 JDK 8 中提供的 DateTimeFormat。
接下来我们分别来看每种解决方案的具体实现。
① 将SimpleDateFormat变为局部变量
将 SimpleDateFormat 定义为局部变量时，因为每个线程都是独享 SimpleDateFormat 对象的，相当于将多线程程序变成“单线程”程序了，所以不会有线程不安全的问题，具体实现代码如下：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class SimpleDateFormatExample {
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建 SimpleDateFormat 对象
SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 执行时间格式化并打印结果
System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
}
});
}
// 任务执行完之后关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
以上程序的执行结果为：
当打印的结果都不相同时，表示程序的执行是正确的，从上述结果可以看出，将 SimpleDateFormat 定义为局部变量之后，就可以成功的解决线程不安全问题了。
② 使用synchronized加锁
锁是解决线程不安全问题最常用的手段，接下来我们先用 synchronized 来加锁进行时间格式化，实现代码如下：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class SimpleDateFormatExample2 {
// 创建 SimpleDateFormat 对象
private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 定义格式化的结果
String result = null;
synchronized (simpleDateFormat) {
// 时间格式化
result = simpleDateFormat.format(date);
}
// 打印结果
System.out.println(result);
}
});
}
// 任务执行完之后关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
以上程序的执行结果为：
③ 使用Lock加锁
在 Java 语言中，锁的常用实现方式有两种，除了 synchronized 之外，还可以使用手动锁 Lock，接下来我们使用 Lock 来对线程不安全的代码进行改造，实现代码如下：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
/**
* Lock 解决线程不安全问题
*/
public class SimpleDateFormatExample3 {
// 创建 SimpleDateFormat 对象
private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 创建 Lock 锁
Lock lock = new ReentrantLock();
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 定义格式化的结果
String result = null;
// 加锁
lock.lock();
try {
// 时间格式化
result = simpleDateFormat.format(date);
} finally {
// 释放锁
lock.unlock();
}
// 打印结果
System.out.println(result);
}
});
}
// 任务执行完之后关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
以上程序的执行结果为：
从上述代码可以看出，手动锁的写法相比于 synchronized 要繁琐一些。
④ 使用ThreadLocal
加锁方案虽然可以正确的解决线程不安全的问题，但同时也引入了新的问题，加锁会让程序进入排队执行的流程，从而一定程度的降低了程序的执行效率，如下图所示：
那有没有一种方案既能解决线程不安全的问题，同时还可以避免排队执行呢？
答案是有的，可以考虑使用 ThreadLocal。ThreadLocal 翻译为中文是线程本地变量的意思，字如其人 ThreadLocal 就是用来创建线程的私有（本地）变量的，每个线程拥有自己的私有对象，这样就可以避免线程不安全的问题了，实现如下：
知道了实现方案之后，接下来我们使用具体的代码来演示一下 ThreadLocal 的使用，实现代码如下：
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* ThreadLocal 解决线程不安全问题
*/
public class SimpleDateFormatExample4 {
// 创建 ThreadLocal 对象，并设置默认值（new SimpleDateFormat）
private static ThreadLocal threadLocal =
ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss"));
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 格式化时间
String result = threadLocal.get().format(date);
// 打印结果
System.out.println(result);
}
});
}
// 任务执行完之后关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
以上程序的执行结果为：
ThreadLocal和局部变量的区别
首先来说 ThreadLocal 不等于局部变量，这里的“局部变量”指的是像 2.1 示例代码中的局部变量， ThreadLocal 和局部变量最大的区别在于：ThreadLocal 属于线程的私有变量，如果使用的是线程池，那么 ThreadLocal 中的变量是可以重复使用的，而代码级别的局部变量，每次执行时都会创建新的局部变量，二者区别如下图所示：
⑤ 使用DateTimeFormatter
以上 4 种解决方案都是因为 SimpleDateFormat 是线程不安全的，所以我们需要加锁或者使用 ThreadLocal 来处理，然而，JDK 8 之后我们就有了新的选择，如果使用的是 JDK 8+ 版本，就可以直接使用 JDK 8 中新增的、安全的时间格式化工具类 DateTimeFormatter 来格式化时间了，接下来我们来具体实现一下。
使用 DateTimeFormatter 必须要配合 JDK 8 中新增的时间对象 LocalDateTime 来使用，因此在操作之前，我们可以先将 Date 对象转换成 LocalDateTime，然后再通过 DateTimeFormatter 来格式化时间，具体实现代码如下：
import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
/**
* DateTimeFormatter 解决线程不安全问题
*/
public class SimpleDateFormatExample5 {
// 创建 DateTimeFormatter 对象
private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("mm:ss");
public static void main(String[] args) {
// 创建线程池
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
// 执行 10 次时间格式化
for (int i = 0; i < 10; i++) {
int finalI = i;
// 线程池执行任务
threadPool.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
// 创建时间对象
Date date = new Date(finalI * 1000);
// 将 Date 转换成 JDK 8 中的时间类型 LocalDateTime
LocalDateTime localDateTime =
LocalDateTime.ofInstant(date.toInstant(), ZoneId.systemDefault());
// 时间格式化
String result = dateTimeFormatter.format(localDateTime);
// 打印结果
System.out.println(result);
}
});
}
// 任务执行完之后关闭线程池
threadPool.shutdown();
}
}
以上程序的执行结果为：
3.线程不安全原因分析
要了解 SimpleDateFormat 为什么是线程不安全的？我们需要查看并分析 SimpleDateFormat 的源码才行，那我们先从使用的方法 format 入手，源码如下：
private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
FieldDelegate delegate) {
// 注意此行代码
calendar.setTime(date);
boolean useDateFormatSymbols = useDateFormatSymbols();
for (int i = 0; i < compiledPattern.length; ) {
int tag = compiledPattern[i] >>> 8;
int count = compiledPattern[i++] & 0xff;
if (count == 255) {
count = compiledPattern[i++] << 16;
count |= compiledPattern[i++];
}
switch (tag) {
case TAG_QUOTE_ASCII_CHAR:
toAppendTo.append((char)count);
break;
case TAG_QUOTE_CHARS:
toAppendTo.append(compiledPattern, i, count);
i += count;
break;
default:
subFormat(tag, count, delegate, toAppendTo, useDateFormatSymbols);
break;
}
}
return toAppendTo;
}
也许是好运使然，没想到刚开始分析第一个方法就找到了线程不安全的问题所在。
从上述源码可以看出，在执行 SimpleDateFormat.format 方法时，会使用 calendar.setTime 方法将输入的时间进行转换，那么我们想象一下这样的场景：
1.线程 1 执行了 calendar.setTime(date) 方法，将用户输入的时间转换成了后面格式化时所需要的时间；
2.线程 1 暂停执行，线程 2 得到 CPU 时间片开始执行；
3.线程 2 执行了 calendar.setTime(date) 方法，对时间进行了修改；
4.线程 2 暂停执行，线程 1 得出 CPU 时间片继续执行，因为线程 1 和线程 2 使用的是同一对象，而时间已经被线程 2 修改了，所以此时当线程 1 继续执行的时候就会出现线程安全的问题了。
正常的情况下，程序的执行是这样的：
非线程安全的执行流程是这样的：
4.各方案优缺点总结
如果使用的是 JDK 8+ 版本，可以直接使用线程安全的 DateTimeFormatter 来进行时间格式化，如果使用的 JDK 8 以下版本或者改造老的 SimpleDateFormat 代码，可以考虑使用 synchronized 或 ThreadLocal 来解决线程不安全的问题。因为实现方案 1 局部变量的解决方案，每次执行的时候都会创建新的对象，因此不推荐使用。synchronized 的实现比较简单，而使用 ThreadLocal 可以避免加锁排队执行的问题。
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