JUC_6_共享模型之不可变（java并发编程）

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#java #开发语言 #后端 #juc

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本文探讨了不可变对象的设计原则及其在确保线程安全中的作用，同时介绍了享元模式的应用场景及其实现方式。

共享模型之不可变

日期转换的问题
不可变设计
- final 的使用
- 保护性拷贝
模式之享元
原理之 final
- 设置 final 变量的原理
- 获取 final 变量的原理
无状态
本章小结

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

private static void test() {
    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：

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：

private static void test() {
    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();
    }
}

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 stf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            TemporalAccessor parse = stf.parse("1951-04-21");
            log.debug("{}", parse);
        }).start();
    }
}

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

@implSpec
This class is immutable and thread-safe.

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

  	// ...
}

final 的使用

发现该类、类中所有属性都是 fifinal 的

属性用 fifinal 修饰保证了该属性是只读的，不能修改
类用 fifinal 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) {      
  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 fifinal 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）】

模式之享元

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

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

出自 “Gang of Four” design patterns

归类 Structual patterns

体现

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

String 串池

BigDecimal BigInteger

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。

package cn.itcast.n7;


import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.sql.*;
import java.util.Map;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

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 {

    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;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public String nativeSQL(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setAutoCommit(boolean autoCommit) throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean getAutoCommit() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void commit() throws SQLException {

    }

    @Override
    public void rollback() throws SQLException {

    }

    @Override
    public void close() throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean isClosed() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public DatabaseMetaData getMetaData() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setReadOnly(boolean readOnly) throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean isReadOnly() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void setCatalog(String catalog) throws SQLException {

    }

    @Override
    public String getCatalog() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setTransactionIsolation(int level) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getTransactionIsolation() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public SQLWarning getWarnings() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void clearWarnings() throws SQLException {

    }

    @Override
    public Statement createStatement(int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Map<String, Class<?>> getTypeMap() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setTypeMap(Map<String, Class<?>> map) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void setHoldability(int holdability) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getHoldability() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public Savepoint setSavepoint() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Savepoint setSavepoint(String name) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void rollback(Savepoint savepoint) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void releaseSavepoint(Savepoint savepoint) throws SQLException {

    }

    @Override
    public Statement createStatement(int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int autoGeneratedKeys) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int[] columnIndexes) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, String[] columnNames) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Clob createClob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Blob createBlob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public NClob createNClob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public SQLXML createSQLXML() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isValid(int timeout) throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void setClientInfo(String name, String value) throws SQLClientInfoException {

    }

    @Override
    public void setClientInfo(Properties properties) throws SQLClientInfoException {

    }

    @Override
    public String getClientInfo(String name) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Properties getClientInfo() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Array createArrayOf(String typeName, Object[] elements) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Struct createStruct(String typeName, Object[] attributes) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setSchema(String schema) throws SQLException {

    }

    @Override
    public String getSchema() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void abort(Executor executor) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void setNetworkTimeout(Executor executor, int milliseconds) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getNetworkTimeout() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public <T> T unwrap(Class<T> iface) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isWrapperFor(Class<?> iface) throws SQLException {
        return false;
    }
}

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

原理之 final

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

public class TestFinal {
  final int a = 20; 
}

字节码

发现 fifinal 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

获取 final 变量的原理

加了final，读取的操作在字节码层面是LDC，把变量从堆空间复制到栈内存，性能会好一些
不加的话，就是getStatic，从堆空间获取

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】

本章小结

不可变类使用
不可变类设计

原理方面
- final

模式方面
- 享元