Java并发编程学习笔记6——共享模型之不可变

目录

1、日期转换的问题

2、不可变设计

2.1、final的使用

2.2、保护性拷贝

3、享元模式

3.1、简介

3.2、体现

3.2.1、包装类

3.2.2、String串池

3.2.3、BigDecimal BigInteger

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3.3、DIY

4、final原理

4.1、设置final变量的原理

5、无状态

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1、日期转换的问题

@Slf4j
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        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();
        }
    }
}

上面的代码在运行时，由于SimpleDateFormat不是线程安全的，有很大几率出现java.lang.NumberFormatException或者出现不正确的日期解析结果。有以下方法可以解决：

@Slf4j
public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        method1();
    }

    // 方法1
    private static void method1() {
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                synchronized (sdf) {
                    try {
                        log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("{}", e);
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

    // 方法2
    private static void method2() {
        DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(()->{
                TemporalAccessor parse = dtf.parse("1951-04-21");
                log.debug("{}", parse);
            }).start();
        }
    }
}

结果：
16:38:55.496 [Thread-3] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.496 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.497 [Thread-9] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.495 [Thread-2] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.497 [Thread-6] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.496 [Thread-0] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.496 [Thread-1] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.497 [Thread-7] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.496 [Thread-5] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21
16:38:55.497 [Thread-8] DEBUG com.multiThreads.Test17.Test1 - {},ISO resolved to 1951-04-21

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，说明以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
    
    // ...
}

2.1、final的使用

发现该类、类中的所有属性都是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。

2.2、保护性拷贝

    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;
            }
        }
        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        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）】。

3、享元模式

3.1、简介

定义：享元模式（Flyweight pattern），当需要重用数量有限的同一类对象时。

3.2、体现

3.2.1、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。

3.2.2、String串池

3.2.3、BigDecimal BigInteger

3.3、DIY

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。

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        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
class Pool {
    // 连接池大小
    private final int poolSize;
    // 连接数组
    private Connection[] conns;
    // 连接是否被占用 标记
    private AtomicIntegerArray states;

    // 初始化连接池
    public Pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.conns = new Connection[poolSize];
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
        for (int i = 0; i<poolSize; i++) {
            conns[i] = new MockConnection("连接" + (i + 1));
        }
    }

    // 从连接池暂借连接
    public Connection borrow() {
        while(true) {
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                if (states.get(i) == 0) {
                    if (states.compareAndSet(i, 0, 1)) {
                        log.debug("borrow {}", conns[i]);
                        return conns[i];
                    }
                }
            }
            // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待，不让CPU空转
            synchronized (this) {
                try {
                    log.debug("wait...");
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    // 归还连接至连接池
    public void free(Connection conn) {
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            if (conns[i] == conn) {
                states.set(i, 0);
                synchronized (this) {
                    log.debug("free {}", conn);
                    this.notifyAll();
                }
                break;
            }
        }
    }
}

@Data
class MockConnection implements Connection {
    private String name;

    public MockConnection(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MockConnection{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }

    @Override
    public Statement createStatement() throws SQLException {
        return null;
    }

    // ...
}

结果：
10:46:30.387 [Thread-0] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - borrow MockConnection{name='连接1'}
10:46:30.387 [Thread-2] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:30.387 [Thread-1] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - borrow MockConnection{name='连接2'}
10:46:30.390 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:30.390 [Thread-3] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:30.486 [Thread-1] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - free MockConnection{name='连接2'}
10:46:30.486 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:30.486 [Thread-3] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - borrow MockConnection{name='连接2'}
10:46:30.486 [Thread-2] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:30.912 [Thread-0] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - free MockConnection{name='连接1'}
10:46:30.912 [Thread-2] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - borrow MockConnection{name='连接1'}
10:46:30.913 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - wait...
10:46:31.361 [Thread-2] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - free MockConnection{name='连接1'}
10:46:31.361 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - borrow MockConnection{name='连接1'}
10:46:31.484 [Thread-3] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - free MockConnection{name='连接2'}
10:46:31.924 [Thread-4] DEBUG com.multiThreads.Test17.Pool - free MockConnection{name='连接1'}

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。

4、final原理

4.1、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。

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。

5、无状态

在Web学习阶段时，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】。