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Java线程中的安全策略实例分析

一、不可变对象不可变对象需要满足的条件(1)对象创建以后其状态就不能修改(2)对象所有域都是final类型(3)对象是正确创建的(在对象创建期间,this引用没有溢出)对于不可变对象,可以参见JDK中的String类final关键字:类、方法、变量(1)修饰类:该类不能被继承,String类,基础类型的包装类(比如Integer、Long等)都是final类型。final类中的成员变量可以根据需要设置为final类型,但是final类中的所有成员方法,都会被隐式的指定为final方法。(2)修饰方法:锁定

    一、不可变对象

    不可变对象需要满足的条件

    (1)对象创建以后其状态就不能修改

    (2)对象所有域都是final类型

    (3)对象是正确创建的(在对象创建期间,this引用没有溢出)

    对于不可变对象,可以参见JDK中的String类

    final关键字:类、方法、变量

    (1)修饰类:该类不能被继承,String类,基础类型的包装类(比如Integer、Long等)都是final类型。final类中的成员变量可以根据需要设置为final类型,但是final类中的所有成员方法,都会被隐式的指定为final方法。

    (2)修饰方法:锁定方法不被继承类修改;效率。注意:一个类的private方法会被隐式的指定为final方法

    (3)修饰变量:基本数据类型变量(数值被初始化后不能再修改)、引用类型变量(初始化之后则不能再指向其他的对象)

    在JDK中提供了一个Collections类,这个类中提供了很多以unmodifiable开头的方法,如下:

    Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map…

    其中Collections.unmodifiableXXX方法中的XXX可以是Collection、List、Set、Map…

    此时,将我们自己创建的Collection、List、Set、Map,传递到Collections.unmodifiableXXX方法中,就变为不可变的了。此时,如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就会抛出java.lang.UnsupportedOperationException异常。

    在Google的Guava中,包含了很多以Immutable开头的类,如下:

    ImmutableXXX,XXX可以是Collection、List、Set、Map…

    注意:使用Google的Guava,需要在Maven中添加如下依赖包:

    
        com.google.guava
        guava
        23.0
    

    二、线程封闭

    (1)Ad-hoc线程封闭:程序控制实现,最糟糕,忽略

    (2)堆栈封闭:局部变量,无并发问题

    (3)ThreadLocal线程封闭:特别好的封闭方法

    三、线程不安全类与写法

    1. StringBuilder -> StringBuffer

    StringBuilder:线程不安全;

    StringBuffer:线程不安全;

    字符串拼接涉及到多线程操作时,使用StringBuffer实现

    在一个具体的方法中,定义一个字符串拼接对象,此时可以使用StringBuilder实现。因为在一个方法内部定义局部变量进行使用时,属于堆栈封闭,只有一个线程会使用变量,不涉及多线程对变量的操作,使用StringBuilder即可。

    2. SimpleDateFormat -> JodaTime

    SimpleDateFormat:线程不安全,可以将其对象的实例化放入到具体的时间格式化方法中,实现线程安全
    JodaTime:线程安全

    SimpleDateFormat线程不安全的代码示例如下:

    package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.text.ParseException;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    @Slf4j
    public class DateFormatExample {
        private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
        //请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
        //同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
                executorService.execute(() -> {
                    try{
                        semaphore.acquire();
                        update();
                        semaphore.release();
                    }catch (Exception e){
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
        }
        public static void update(){
            try {
                simpleDateFormat.parse("20191024");
            } catch (ParseException e) {
                log.error("parse exception", e);
            }
        }
    }

    修改成如下代码即可。

    package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
    
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    
    import java.text.ParseException;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    @Slf4j
    public class DateFormatExample2 {
        //请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
        //同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
                executorService.execute(() -> {
                    try{
                        semaphore.acquire();
                        update();
                        semaphore.release();
                    }catch (Exception e){
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
        }
    
        public static void update(){
            try {
                SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd");
                simpleDateFormat.parse("20191024");
            } catch (ParseException e) {
                log.error("parse exception", e);
            }
        }
    }

    对于JodaTime需要在Maven中添加如下依赖包:

    
        joda-time
        joda-time
        2.9
    

    示例代码如下:

    package io.binghe.concurrency.example.commonunsafe;
    import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
    import org.joda.time.DateTime;
    import org.joda.time.format.DateTimeFormat;
    import org.joda.time.format.DateTimeFormatter;
    
    import java.text.ParseException;
    import java.text.SimpleDateFormat;
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.ExecutorService;
    import java.util.concurrent.Executors;
    import java.util.concurrent.Semaphore;
    
    @Slf4j
    public class DateFormatExample3 {
        //请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
        //同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
    
        private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormat.forPattern("yyyyMMdd");
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for(int i = 0; i < clientTotal; i++){
                final int count = i;
                executorService.execute(() -> {
                    try{
                        semaphore.acquire();
                        update(count);
                        semaphore.release();
                    }catch (Exception e){
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
        }
    
        public static void update(int i){
            log.info("{} - {}", i, DateTime.parse("20191024", dateTimeFormatter));
        }
    }

    3. ArrayList、HashSet、HashMap等Collections集合类为线程不安全类

    4. 先检查再执行:if(condition(a)){handle(a);}

    注意:这种写法是线程不安全的!!!!!

    两个线程同时执行这种操作,同时对if条件进行判断,并且a变量是线程共享的,如果两个线程均满足if条件,则两个线程会同时执行handle(a)语句,此时,handle(a)语句就可能不是线程安全的。

    不安全的点在于两个操作中,即使前面的执行过程是线程安全的,后面的过程也是线程安全的,但是前后执行过程的间隙不是原子性的,因此,也会引发线程不安全的问题。

    实际过程中,遇到if(condition(a)){handle(a);}类的处理时,考虑a是否是线程共享的,如果是线程共享的,则需要在整个执行方法上加锁,或者保证if(condition(a)){handle(a);}的前后两个操作(if判断和代码执行)是原子性的。

    四、线程安全-同步容器

    1. ArrayList -> Vector, Stack

    ArrayList:线程不安全;

    Vector:同步操作,但是可能会出现线程不安全的情况,线程不安全的代码示例如下:

    public class VectorExample {
    
        private static Vector vector = new Vector<>();
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            while (true){
                for(int i = 0; i < 10; i++){
                    vector.add(i);
                }
                Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
                            vector.remove(i);
                        }
                    }
                });
                Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        for(int i = 0; i < vector.size(); i++){
                            vector.get(i);
                        }
                    }
                });
                thread1.start();
                thread2.start();
            }
        }
    }

    Stack:继承自Vector,先进后出。

    2. HashMap -> HashTable(Key, Value都不能为null)

    HashMap:线程不安全;

    HashTable:线程安全,注意使用HashTable时,Key, Value都不能为null;

    3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)

    注意:在遍历集合的时候,不要对集合进行更新操作。当需要对集合中的元素进行删除操作时,可以遍历集合,先对需要删除的元素进行标记,集合遍历结束后,再进行删除操作。例如,下面的示例代码:

    public class VectorExample3 {
    
        //此方法抛出:java.util.ConcurrentModificationException
        private static void test1(Vector v1){
            for(Integer i : v1){
                if(i == 3){
                    v1.remove(i);
                }
            }
        }
        //此方法抛出:java.util.ConcurrentModificationException
        private static void test2(Vector v1){
            Iterator iterator = v1.iterator();
            while (iterator.hasNext()){
                Integer i = iterator.next();
                if(i == 3){
                    v1.remove(i);
                }
            }
        }
        //正常
        private static void test3(Vector v1){
            for(int i = 0; i < v1.size(); i++){
                if(i == 3){
                    v1.remove(i);
                }
            }
        }
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Vector vector = new Vector<>();
            vector.add(1);
            vector.add(2);
            vector.add(3);
    
            //test1(vector);
            //test2(vector);
            test3(vector);
        }
    }

    五、线程安全-并发容器J.U.C

    J.U.C表示的是java.util.concurrent报名的缩写。

    1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList

    ArrayList:线程不安全;

    CopyOnWriteArrayList:线程安全;

    写操作时复制,当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时,先从原有的数组中拷贝一份出来,然后在新的数组中进行写操作,写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

    CopyOnWriteArrayList缺点:

    (1)每次写操作都需要复制一份,消耗内存,如果元素特别多,可能导致GC;

    (2)不能用于实时读的场景,适合读多写少的场景;

    CopyOnWriteArrayList设计思想:

    (1)读写分离

    (2)最终一致性

    (3)使用时另外开辟空间,解决并发冲突

    注意:CopyOnWriteArrayList读操作时,都是在原数组上进行的,不需要加锁,写操作时复制,当有新元素添加到CopyOnWriteArrayList数组时,先从原有的集合中拷贝一份出来,然后在新的数组中进行写操作,写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。

    2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

    CopyOnWriteArraySet:线程安全的,底层实现使用了CopyOnWriteArrayList。

    ConcurrentSkipListSet:JDK6新增的类,支持排序。可以在构造时,自定义比较器,基于Map集合。在多线程环境下,ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作,都是线程安全的。但是,批量操作,比如:containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作,并不保证整体一定是原子操作,只能保证批量操作中的每次操作是原子性的,因为批量操作中是以循环的形式调用的单步操作,比如removeAll()操作下以循环的方式调用remove()操作。如下代码所示:

    //ConcurrentSkipListSet类型中的removeAll()方法的源码
    public boolean removeAll(Collection c) {
        // Override AbstractSet version to avoid unnecessary call to size()
        boolean modified = false;
        for (Object e : c)
            if (remove(e))
                modified = true;
        return modified;
    }

    所以,在执行ConcurrentSkipListSet中的批量操作时,需要考虑加锁问题。

    注意:ConcurrentSkipListSet类不允许使用空元素(null)。

    3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

    ConcurrentHashMap:线程安全,不允许空值

    ConcurrentSkipListMap:是TreeMap的线程安全版本,内部是使用SkipList跳表结构实现

    4.ConcurrentSkipListMap与ConcurrentHashMap对比如下

    (1)ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的,ConcurrentHashMap中的Key是无序的;

    (2)ConcurrentSkipListMap支持更高的并发,对数据的存取时间和线程数几乎无关,也就是说,在数据量一定的情况下,并发的线程数越多,ConcurrentSkipListMap越能体现出它的优势。

    注意:在非对线程下尽量使用TreeMap,另外,对于并发数相对较低的并行程序,可以使用Collections.synchronizedSortedMap,将TreeMap进行包装;对于高并发程序,使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并发度;在多线程高并发环境中,需要对Map的键值对进行排序,尽量使用ConcurrentSkipListMap。

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