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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

本文目录

      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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