并发编程——6.共享模型之不可变

亦凉 2023-10-07 22:29 61阅读 0赞

#### 目录 ####

*  6.共享模型之不可变
 *   *  6.1.日期转换的问题
     *   *  6.1.1.问题提出
         *  6.1.2.解决思路——同步锁
         *  6.1.3.解决思路——不可变
     *  6.2.不可变设计
     *  6.3.享元模式
     *   *  6.3.1.简介
         *  6.3.2.体现
         *  6.3.3.DIY
     *  6.4.final 原理
     *  6.5.无状态

> 本文笔记整理来自黑马视频[https://www.bilibili.com/video/BV16J411h7Rd/?p=197][https_www.bilibili.com_video_BV16J411h7Rd_p_197]，相关资料可在视频评论区进行获取。

## 6.共享模型之不可变 ##

### 6.1.日期转换的问题 ###

#### 6.1.1.问题提出 ####

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的：

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();
        }
    }

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：

10:57:56 [Thread-4] c.Solution - {
        }
    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:1869)
    	at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
    	at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
    	at Solution.lambda$main$0(Test.java:12)
    	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

#### 6.1.2.解决思路——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 static void main(String[] args) {
        
        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();
        }
    }

#### 6.1.3.解决思路——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 static void main(String[] args) {
        
        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。

### 6.2.不可变设计 ###

（1）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
        
        // ...
      
    }

**（2）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；

**（3）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：

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)】

### 6.3.享元模式 ###

#### 6.3.1.简介 ####

（1）定义：英文名称为 Flyweight pattern，当需要重用数量有限的同一类对象时。

> wikipedia： A flyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data as possible with other similar objects.

（2）出自：“Gang of Four” design patterns

（3）归类：Structual patterns

#### 6.3.2.体现 ####

**（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；

**（2）String 串池**

**（3）BigDecimal BigInteger**

#### 6.3.3.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。

@Slf4j(topic = "c.Pool")
    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();
    }

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。

### 6.4.final 原理 ###

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;
    }

对应的字节码如下：

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。

### 6.5.无状态 ###

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】。

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