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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 {
log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
} catch (Exception e) {
log.error("{}", 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:
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
原因:
因为其内部的一些属性是可变的,所以多个线程访问就会出现问题。
SimpleDateFormat是Java中的日期格式化类,它不是线程安全的。当多个线程同时访问同一个SimpleDateFormat实例时,会导致竞争条件和数据不一致的问题。
SimpleDateFormat内部维护了一个Calendar实例作为工作对象,用于解析和格式化日期。在多线程环境下,多个线程同时调用SimpleDateFormat的方法可能会导致多个线程并发地修改共享的Calendar实例,造成数据混乱。
具体表现为,一个线程正在执行格式化操作,而另一个线程突然调用了parse()方法进行解析,这时两个线程都会对内部的Calendar实例进行修改,导致结果不可预测。
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 < 50; i++) {
new Thread(() -> {
synchronized (sdf) {
try {
log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
} catch (Exception e) {
log.error("{}", e);
}
}
}).start();
}
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);
log.debug("{}", date);
}).start();
}
可以看 DateTimeFormatter 的文档:
@implSpec
This class is immutable and thread-safe.
不可变对象,实际是另一种避免竞争的方式。
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
// ...
}
发现该类、类中所有属性都是 final 的
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)】
但是却会带来一定的问题,对象创建的太多频繁,为了解决这个问题,所以一般都会关联一个设计模式。
定义 英文名称:Flyweight pattern. 当需要重用数量有限的同一类对象时(每次保护性拷贝都需要创建新的字符串,如果有取值相同的对象已经有了,那就可以重用这些对象,而不是每次都创建新的)
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:
例如:一个线上商城应用,QPS 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 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 {
// 实现略
}
使用连接池:
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();
}
输出:
连接1
连接2
borrow MockConnection@1c1832d4
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
wait...
wait...
free MockConnection@6f6b8a01
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
wait...
free MockConnection@6f6b8a01
borrow MockConnection@6f6b8a01
wait...
free MockConnection@1c1832d4
borrow MockConnection@1c1832d4
free MockConnection@6f6b8a01
free MockConnection@1c1832d4
以上实现没有考虑:
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
理解了 volatile 原理,再对比 final 的实现就比较简单了
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(写屏障的优势:保证写屏障之前的指令不会被重排序到写屏障后面去、能保障写屏障所有的修改操作,再写屏障之后被同步到主存),保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况。
如果不加final,其实是分两步走的,第一步先是分配空间,还没有赋值,初始值是0.如果此时其他线程看到了赋值之前的零,那么变量的使用就是不正确的。
在Java中,获取final变量的原理与获取普通变量的原理是一样的,都是在运行时访问内存中的变量值。不同的是,对于final变量,编译器会进行优化,将其存储在常量池中,而非存储在堆或栈中。
当程序需要访问final变量时,实际上是直接从常量池中读取该变量的值,而不是从内存中读取。这样可以提高程序的执行效率,避免了不必要的内存操作。
位于方法区(JDK7及之前)或元空间(JDK8及之后)中。
用于存储编译期生成的字面量(Literal)和符号引用(Symbolic Reference)。
存储字符串常量、类和接口的全限定名、字段和方法的名称和描述符等。
常量池的内容在编译时确定,并保存在class文件中,运行时被加载到内存中。
常量池中的数据是不可修改的,可以被多个对象共享。
用于存储对象实例,包括通过new关键字创建的对象。
位于Java虚拟机内存中的一块较大的区域。
堆中的对象由垃圾回收器自动管理,通过垃圾回收机制来释放不再使用的对象。
对象在堆中分配内存,对象的引用存储在栈中。
位于线程私有的内存区域。
每个线程都有自己的栈,用于存储局部变量、方法调用和方法返回等。
栈中的数据是按照“后进先出”的原则进行操作。
栈的大小在虚拟机启动时就可以固定,随着线程的创建和销毁而动态改变。
简单来说,常量池主要用于存储编译期生成的字面量和符号引用,堆用于存储对象实例,栈用于存储方法调用和局部变量。常量池的内容是不可修改的,堆和栈中的数据是动态变化的,并且随着程序的执行而进行内存分配和回收。
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】