JUC笔记(六) --- 不可变共享模型

渝北最后的单纯

已于 2022-11-03 16:43:05 修改

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分类专栏：并发编程文章标签： java jvm servlet

于 2022-11-03 16:20:02 首次发布

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6.不可变共享模型

不可变类的使用
不可变类设计
无状态类设计

6.1问题引入

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();
    }

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

解决思路：

思路 - 同步锁
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：

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();
}

@implSpec
This class is immutable and thread-safe. DateTimeFormatter

6.2不可变设计

eg.String类为不可变类型

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
}

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

可以看到value[]是final类型，也就是不可以被修改的，那么substring()之类的方法怎么返回的字符串呢？

保护性拷贝

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);
        }
        return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
                : new String(value, beginIndex, subLen);
    }

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); // ***
    }

对final数组里的字符进行数组拷贝，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

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

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：参照上一小节
BigDecimal BigInteger
连接池：

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;
    }
}

Q&A一些思考：

为什么不让线程空转而是wait呢？

释放线程占用资源等待唤醒，减少空闲线程对处理机的占用。提高系统整体并发效率

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

6.4final原理

设置 final 变量的原理

public class TestFinal {
 final int a = 11;
}

0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 11
7: putfield #2 // Field a:I
 <-- 写屏障
10: return

发现 fifinal 变量的赋值也会通过 putfifield 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

如果不加final，int a = 20 其实是经历了从初始值为0 到赋值为20的过程，这个过程不是原子的，在多线程下不安全

获取 final 变量的原理

public class test {
    final static int A =20;
    final static int B=Short.MAX_VALUE+1;
    final int C =20;
    final int D=Short.MAX_VALUE+1;
    
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(test0522.A);
        System.out.println(test0522.B);
        System.out.println(new test0522().C);
        System.out.println(new test0522().D);

    }

    L0
    LINENUMBER 19 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    BIPUSH 20
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L1
    LINENUMBER 20 L1
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    LDC 32768
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L2
    LINENUMBER 21 L2
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    NEW com/example/demo/com/example/demo/test0522
    DUP
    INVOKESPECIAL com/example/demo/com/example/demo/test0522.<init> ()V
    GETFIELD com/example/demo/com/example/demo/test0522.C : I
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L3
    LINENUMBER 22 L3
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    NEW com/example/demo/com/example/demo/test0522
    DUP
    INVOKESPECIAL com/example/demo/com/example/demo/test0522.<init> ()V
    GETFIELD com/example/demo/com/example/demo/test0522.D : I
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V