并发编程（五）共享模型之不可变

文章目录

• 1. 共享模型之不可变
• • 1.1 日期转换的问题
  • 1.2 不可变设计
  • 1.3 本章小结

1. 共享模型之不可变

1.1 日期转换的问题

问题提出，下面的代码在运行时，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。

        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();
        }

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：

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();
}

思路 - 不可变对象

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：

        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();
        }

1.2 不可变设计

1. 更多不可变类的知识，可参考这这里
2. final类的知识，参考这里

另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变类设计的要素

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
    // ...
}

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：

    public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
        if (beginIndex < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
        }
        if (endIndex > value.length) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
        }
        int subLen = endIndex - beginIndex;
        if (subLen < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
        }
        // 上面是一些校验，下面才是真正的创建新的String对象
        return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? 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：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）】

    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);
        }
        // 上面是一些安全性的校验，下面是给String对象的value赋值，新创建了一个数组来保存String对象的值
        this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
    }

享元模式

1. 简介定义英文名称：Flyweight pattern. 当需要重用数量有限的同一类对象时

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

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 Test3 {
    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(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 {
   ......
}

以上实现没有考虑：

• 连接的动态增长和收缩
• 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，可以考虑c3p0，druid
对于更通用的对象池，可以考虑apache commons pool

final的原理

设置 final 变量的原理

1. 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."<init>":()V
   4: aload_0
   5: bipush 20
   7: putfield #2 // Field a:I
    <-- 写屏障
   10: return
   
   

2. final变量的赋值操作都必须在定义时或者构造器中进行初始化赋值，并发现 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。

1.3 本章小结

1. 不可变类使用
2. 不可变类设计
3. 原理方面：final
4. 模式方面
   1. 享元模式-> 设置线程池

本文地址：https://blog.csdn.net/weixin_44050144/article/details/112785924