【高并發(fā)】線程安全策略
一、不可變對(duì)象
不可變對(duì)象需要滿足的條件
（1）對(duì)象創(chuàng)建以后其狀態(tài)就不能修改
（2）對(duì)象所有域都是final類型
（3）對(duì)象是正確創(chuàng)建的（在對(duì)象創(chuàng)建期間，this引用沒有溢出）
對(duì)于不可變對(duì)象，可以參見JDK中的String類
final關(guān)鍵字：類、方法、變量
（1）修飾類：該類不能被繼承，String類，基礎(chǔ)類型的包裝類（比如Integer、Long等）都是final類型。final類中的成員變量可以根據(jù)需要設(shè)置為final類型，但是final類中的所有成員方法，都會(huì)被隱式的指定為final方法。
（2）修飾方法：鎖定方法不被繼承類修改；效率。注意：一個(gè)類的private方法會(huì)被隱式的指定為final方法
（3）修飾變量：基本數(shù)據(jù)類型變量（數(shù)值被初始化后不能再修改）、引用類型變量（初始化之后則不能再指向其他的對(duì)象）
在JDK中提供了一個(gè)Collections類，這個(gè)類中提供了很多以u(píng)nmodifiable開頭的方法，如下：
Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map…
其中Collections.unmodifiableXXX方法中的XXX可以是Collection、List、Set、Map…
此時(shí)，將我們自己創(chuàng)建的Collection、List、Set、Map，傳遞到Collections.unmodifiableXXX方法中，就變?yōu)椴豢勺兊牧恕４藭r(shí)，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就會(huì)拋出java.lang.UnsupportedOperationException異常。
在Google的Guava中，包含了很多以Immutable開頭的類，如下：
ImmutableXXX,XXX可以是Collection、List、Set、Map…
注意：使用Google的Guava，需要在Maven中添加如下依賴包：
二、線程封閉
（1）Ad-hoc線程封閉：程序控制實(shí)現(xiàn)，最糟糕，忽略
（2）堆棧封閉：局部變量，無并發(fā)問題
（3）ThreadLocal線程封閉：特別好的封閉方法
三、線程不安全類與寫法
1. StringBuilder -> StringBuffer
StringBuilder:線程不安全；
StringBuffer：線程不安全；
字符串拼接涉及到多線程操作時(shí)，使用StringBuffer實(shí)現(xiàn)
在一個(gè)具體的方法中，定義一個(gè)字符串拼接對(duì)象，此時(shí)可以使用StringBuilder實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谝粋€(gè)方法內(nèi)部定義局部變量進(jìn)行使用時(shí)，屬于堆棧封閉，只有一個(gè)線程會(huì)使用變量，不涉及多線程對(duì)變量的操作，使用StringBuilder即可。
2. SimpleDateFormat -> JodaTime
SimpleDateFormat:線程不安全，可以將其對(duì)象的實(shí)例化放入到具體的時(shí)間格式化方法中，實(shí)現(xiàn)線程安全
JodaTime：線程安全
SimpleDateFormat線程不安全的代碼示例如下：
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"); //請(qǐng)求總數(shù) public static int clientTotal = 5000; //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù) 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); } } }
修改成如下代碼即可。
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 { //請(qǐng)求總數(shù) public static int clientTotal = 5000; //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù) 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); } } }
對(duì)于JodaTime需要在Maven中添加如下依賴包：
示例代碼如下：
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 { //請(qǐng)求總數(shù) public static int clientTotal = 5000; //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù) 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集合類為線程不安全類
4. 先檢查再執(zhí)行：if(condition(a)){handle(a);}
注意：這種寫法是線程不安全的！！！！！
兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這種操作，同時(shí)對(duì)if條件進(jìn)行判斷，并且a變量是線程共享的，如果兩個(gè)線程均滿足if條件，則兩個(gè)線程會(huì)同時(shí)執(zhí)行handle(a)語句，此時(shí)，handle(a)語句就可能不是線程安全的。
不安全的點(diǎn)在于兩個(gè)操作中，即使前面的執(zhí)行過程是線程安全的，后面的過程也是線程安全的，但是前后執(zhí)行過程的間隙不是原子性的，因此，也會(huì)引發(fā)線程不安全的問題。
實(shí)際過程中，遇到if(condition(a)){handle(a);}類的處理時(shí)，考慮a是否是線程共享的，如果是線程共享的，則需要在整個(gè)執(zhí)行方法上加鎖，或者保證if(condition(a)){handle(a);}的前后兩個(gè)操作（if判斷和代碼執(zhí)行）是原子性的。
四、線程安全-同步容器
1. ArrayList -> Vector, Stack
ArrayList:線程不安全；
Vector:同步操作，但是可能會(huì)出現(xiàn)線程不安全的情況，線程不安全的代碼示例如下：
public class VectorExample { private static Vector
Stack：繼承自Vector，先進(jìn)后出。
2. HashMap -> HashTable(Key, Value都不能為null)
HashMap：線程不安全；
HashTable：線程安全，注意使用HashTable時(shí)，Key, Value都不能為null；
3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)
注意：在遍歷集合的時(shí)候，不要對(duì)集合進(jìn)行更新操作。當(dāng)需要對(duì)集合中的元素進(jìn)行刪除操作時(shí)，可以遍歷集合，先對(duì)需要?jiǎng)h除的元素進(jìn)行標(biāo)記，集合遍歷結(jié)束后，再進(jìn)行刪除操作。例如，下面的示例代碼：
public class VectorExample3 { //此方法拋出：java.util.ConcurrentModificationException private static void test1(Vector
五、線程安全-并發(fā)容器J.U.C
J.U.C表示的是java.util.concurrent報(bào)名的縮寫。
1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList
ArrayList:線程不安全；
CopyOnWriteArrayList:線程安全；
寫操作時(shí)復(fù)制，當(dāng)有新元素添加到CopyOnWriteArrayList數(shù)組時(shí)，先從原有的數(shù)組中拷貝一份出來，然后在新的數(shù)組中進(jìn)行寫操作，寫完之后再將原來的數(shù)組指向到新的數(shù)組。整個(gè)操作都是在鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。
CopyOnWriteArrayList缺點(diǎn)：
（1）每次寫操作都需要復(fù)制一份，消耗內(nèi)存，如果元素特別多，可能導(dǎo)致GC；
（2）不能用于實(shí)時(shí)讀的場(chǎng)景，適合讀多寫少的場(chǎng)景；
CopyOnWriteArrayList設(shè)計(jì)思想：
（1）讀寫分離
（2）最終一致性
（3）使用時(shí)另外開辟空間，解決并發(fā)沖突
注意：CopyOnWriteArrayList讀操作時(shí)，都是在原數(shù)組上進(jìn)行的，不需要加鎖，寫操作時(shí)復(fù)制，當(dāng)有新元素添加到CopyOnWriteArrayList數(shù)組時(shí)，先從原有的集合中拷貝一份出來，然后在新的數(shù)組中進(jìn)行寫操作，寫完之后再將原來的數(shù)組指向到新的數(shù)組。整個(gè)操作都是在鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。
2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet
CopyOnWriteArraySet:線程安全的，底層實(shí)現(xiàn)使用了CopyOnWriteArrayList。
ConcurrentSkipListSet：JDK6新增的類，支持排序。可以在構(gòu)造時(shí)，自定義比較器，基于Map集合。在多線程環(huán)境下，ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是線程安全的。但是，批量操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，并不保證整體一定是原子操作，只能保證批量操作中的每次操作是原子性的，因?yàn)榕坎僮髦惺且匝h(huán)的形式調(diào)用的單步操作，比如removeAll()操作下以循環(huán)的方式調(diào)用remove()操作。如下代碼所示：
//ConcurrentSkipListSet類型中的removeAll()方法的源碼 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，在執(zhí)行ConcurrentSkipListSet中的批量操作時(shí)，需要考慮加鎖問題。
注意：ConcurrentSkipListSet類不允許使用空元素(null)。
3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap
ConcurrentHashMap:線程安全，不允許空值
ConcurrentSkipListMap：是TreeMap的線程安全版本，內(nèi)部是使用SkipList跳表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)
4.ConcurrentSkipListMap與ConcurrentHashMap對(duì)比如下
（1）ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的，ConcurrentHashMap中的Key是無序的；
（2）ConcurrentSkipListMap支持更高的并發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)的存取時(shí)間和線程數(shù)幾乎無關(guān)，也就是說，在數(shù)據(jù)量一定的情況下，并發(fā)的線程數(shù)越多，ConcurrentSkipListMap越能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。
注意：在非對(duì)線程下盡量使用TreeMap，另外，對(duì)于并發(fā)數(shù)相對(duì)較低的并行程序，可以使用Collections.synchronizedSortedMap，將TreeMap進(jìn)行包裝；對(duì)于高并發(fā)程序，使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并發(fā)度；在多線程高并發(fā)環(huán)境中，需要對(duì)Map的鍵值對(duì)進(jìn)行排序，盡量使用ConcurrentSkipListMap。
六、安全共享對(duì)象的策略-總結(jié)
（1）線程限制：一個(gè)被線程限制的對(duì)象，由線程獨(dú)占，并且只能被占有它的線程修改
（2）共享只讀：一個(gè)共享只讀的對(duì)象，在沒有額外同步的情況下，可以被多個(gè)線程并發(fā)訪問，但是任何線程都不能修改它。
（3）線程安全對(duì)象：一個(gè)線程安全的對(duì)象或者容器，在內(nèi)部通過同步機(jī)制來保證線程安全，所以其他線程無需額外的同步就可以通過公共接口隨意訪問它
（4）被守護(hù)對(duì)象：被守護(hù)對(duì)象只能通過獲取特定的鎖來訪問
好了，今天就到這兒吧，我是冰河，我們下期見~~
Java JDK JVM 任務(wù)調(diào)度 多線程
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