改善Java程序的151个建议

建议123：volatile不能保证数据同步

　　volatile关键字比较少用，原因无外乎两点，一是在Java1.5之前该关键字在不同的操作系统上有不同的表现，所带来的问题就是移植性较差；而且比较难设计，而且误用较多，这也导致它的"名誉" 受损。

　　我们知道，每个线程都运行在栈内存中，每个线程都有自己的工作内存(Working Memory,比如寄存器Register、高速缓冲存储器Cache等)，线程的计算一般是通过工作内存进行交互的，其示意图如下图所示：

　　从示意图上我们可以看到，线程在初始化时从主内存中加载所需的变量值到工作内存中，然后在线程运行时，如果是读取，则直接从工作内存中读取，若是写入则先写到工作内存中，之后刷新到主内存中，这是JVM的一个简答的内存模型，但是这样的结构在多线程的情况下有可能会出现问题，比如：A线程修改变量的值，也刷新到了主内存，但B、C线程在此时间内读取的还是本线程的工作内存，也就是说它们读取的不是最"新鲜"的值，此时就出现了不同线程持有的公共资源不同步的情况。

　　对于此类问题有很多解决办法，比如使用synchronized同步代码块，或者使用Lock锁来解决该问题，不过，Java可以使用volatile更简单地解决此类问题，比如在一个变量前加上volatile关键字，可以确保每个线程对本地变量的访问和修改都是直接与内存交互的，而不是与本线程的工作内存交互的，保证每个线程都能获得最"新鲜"的变量值，其示意图如下：

　　明白了volatile变量的原理，那我们思考一下：volatile变量是否能够保证数据的同步性呢？两个线程同时修改一个volatile是否会产生脏数据呢？我们看看下面代码：

class UnsafeThread implements Runnable {
    // 共享资源
    private volatile int count = 0;

    @Override
    public void run() {
        // 增加CPU的繁忙程度,不必关心其逻辑含义
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Math.hypot(Math.pow(92456789, i), Math.cos(i));
        }
        count++;
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

　　上面的代码定义了一个多线程类，run方法的主要逻辑是共享资源count的自加运算，而且我们还为count变量加上了volatile关键字，确保是从内存中读取和写入的，如果有多个线程运行，也就是多个线程执行count变量的自加操作，count变量会产生脏数据吗？想想看，我们已经为count加上了volatile关键字呀！模拟多线程的代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 理想值，并作为最大循环次数
        int value = 1000;
        // 循环次数,防止造成无限循环或者死循环
        int loops = 0;
        // 主线程组,用于估计活动线程数
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        while (loops++ < value) {
            // 共享资源清零
            UnsafeThread ut = new UnsafeThread();
            for (int i = 0; i < value; i++) {
                new Thread(ut).start();
            }
            // 先等15毫秒，等待活动线程为1
            do {
                Thread.sleep(15);
            } while (tg.activeCount() != 1);
            // 检查实际值与理论值是否一致
            if (ut.getCount() != value) {
                // 出现线程不安全的情况
                System.out.println("循环到：" + loops + " 遍，出现线程不安全的情况");
                System.out.println("此时，count= " + ut.getCount());
                System.exit(0);
            }
        }

    }

　　想让volatite变量"出点丑"，还是需要花点功夫的。此段程序的运行逻辑如下：

启动100个线程，修改共享资源count的值

暂停15秒，观察活动线程数是否为1(即只剩下主线程再运行)，若不为1，则再等待15秒。

判断共享资源是否是不安全的，即实际值与理想值是否相同，若不相同，则发现目标，此时count的值为脏数据。

如果没有找到，继续循环，直到达到最大循环为止。

运行结果如下：

　　　　循环到：40 遍，出现线程不安全的情况
　　　　此时，count= 999
　　这只是一种可能的结果，每次执行都有可能产生不同的结果。这也说明我们的count变量没有实现数据同步，在多个线程修改的情况下，count的实际值与理论值产生了偏差，直接说明了volatile关键字并不能保证线程的安全。
　　在解释原因之前，我们先说一下自加操作。count++表示的是先取出count的值然后再加1，也就是count=count+1，所以，在某个紧邻时间片段内会发生如下神奇的事情：

(1)、第一个时间片段

　　A线程获得执行机会，因为有关键字volatile修饰，所以它从主内存中获得count的最新值为998，接下来的事情又分为两种类型：

如果是单CPU，此时调度器暂停A线程执行，让出执行机会给B线程，于是B线程也获得了count的最新值998.

如果是多CPU，此时线程A继续执行，而线程B也同时获得了count的最新值998.

(2)、第二个片段

如果是单CPU，B线程执行完+1操作(这是一个原子处理)，count的值为999，由于是volatile类型的变量，所以直接写入主内存，然后A线程继续执行，计算的结果也是999，重新写入主内存中。

如果是多CPU，A线程执行完加1动作后修改主内存的变量count为999，线程B执行完毕后也修改主内存中的变量为999

这两个时间片段执行完毕后，原本期望的结果为1000，单运行后的值为999，这表示出现了线程不安全的情况。这也是我们要说明的：volatile关键字并不能保证线程安全，它只能保证当前线程需要该变量的值时能够获得最新的值，而不能保证线程修改的安全性。

顺便说一下，在上面的代码中，UnsafeThread类的消耗CPU计算是必须的，其目的是加重线程的负荷，以便出现单个线程抢占整个CPU资源的情景，否则很难模拟出volatile线程不安全的情况，大家可以自行模拟测试。

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建议124：异步运算考虑使用Callable接口

　　多线程应用有两种实现方式，一种是实现Runnable接口，另一种是继承Thread类，这两个方法都有缺点：run方法没有返回值，不能抛出异常(这两个缺点归根到底是Runnable接口的缺陷，Thread类也实现了Runnable接口)，如果需要知道一个线程的运行结果就需要用户自行设计，线程类本身也不能提供返回值和异常。但是从Java1.5开始引入了一个新的接口Callable，它类似于Runnable接口，实现它就可以实现多线程任务，Callable的接口定义如下：

public interface Callable<V> {
    /**
     * Computes a result, or throws an exception if unable to do so.
     *
     * @return computed result
     * @throws Exception if unable to compute a result
     */
    V call() throws Exception;
}

　　实现Callable接口的类，只是表明它是一个可调用的任务，并不表示它具有多线程运算能力，还是需要执行器来执行的，我们先编写一个任务类，代码如下：　

//税款计算器
class TaxCalculator implements Callable<Integer> {
    // 本金
    private int seedMoney;

    // 接收主线程提供的参数
    public TaxCalculator(int _seedMoney) {
        seedMoney = _seedMoney;
    }

    @Override
    public Integer call() throws Exception {
        // 复杂计算,运行一次需要2秒
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(2000);
        return seedMoney / 10;
    }
}

　　这里模拟了一个复杂运算：税款计算器，该运算可能要花费10秒钟的时间，此时不能让用户一直等着吧，需要给用户输出点什么，让用户知道系统还在运行，这也是系统友好性的体现：用户输入即有输出，若耗时较长，则显示运算进度。如果我们直接计算，就只有一个main线程，是不可能有友好提示的，如果税金不计算完毕，也不会执行后续动作，所以此时最好的办法就是重启一个线程来运算，让main线程做进度提示，代码如下：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException,
            ExecutionException {
        // 生成一个单线程的异步执行器
        ExecutorService es = Executors.newSingleThreadExecutor();
        // 线程执行后的期望值
        Future<Integer> future = es.submit(new TaxCalculator(100));
        while (!future.isDone()) {
            // 还没有运算完成，等待200毫秒
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(200);
            // 输出进度符号
            System.out.print("*");
        }
        System.out.println("\n计算完成，税金是：" + future.get() + "  元 ");
        es.shutdown();
    }

　　在这段代码中，Executors是一个静态工具类，提供了异步执行器的创建能力，如单线程异步执行器newSingleThreadExecutor、固定线程数量的执行器newFixedThreadPool等，一般它是异步计算的入口类。future关注的是线程执行后的结果，比如没有运行完毕，执行结果是多少等。此段代码的运行结果如下所示：

　　　　　　**********************************************......

　　　　　　计算完成，税金是：10  元

　　执行时，"*"会依次递增，表示系统正在运算，为用户提供了运算进度，此类异步计算的好处是：

尽可能多的占用系统资源，提供快速运算

可以监控线程的执行情况，比如是否执行完毕、是否有返回值、是否有异常等。

可以为用户提供更好的支持，比如例子中的运算进度等。

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建议125：优先选择线程池

　　在Java1.5之前，实现多线程比较麻烦，需要自己启动线程，并关注同步资源，防止出现线程死锁等问题，在1.5版本之后引入了并行计算框架，大大简化了多线程开发。我们知道一个线程有五个状态：新建状态(NEW)、可运行状态(Runnable，也叫作运行状态)、阻塞状态(Blocked)、等待状态(Waiting)、结束状态(Terminated)，线程的状态只能由新建转变为了运行状态后才能被阻塞或等待，最后终结，不可能产生本末倒置的情况，比如把一个结束状态的线程转变为新建状态，则会出现异常，例如如下代码会抛出异常：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个线程，新建状态
        Thread t = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("线程正在运行");
            }
        });
        // 运行状态
        t.start();
        // 是否是运行状态，若不是则等待10毫秒
        while (!t.getState().equals(Thread.State.TERMINATED)) {
            TimeUnit.MICROSECONDS.sleep(10);
        }
        // 直接由结束转变为云心态
        t.start();
    }

　　此段程序运行时会报java.lang.IllegalThreadStateException异常，原因就是不能从结束状态直接转变为运行状态，我们知道一个线程的运行时间分为3部分：T1为线程启动时间，T2为线程的运行时间，T3为线程销毁时间，如果一个线程不能被重复使用，每次创建一个线程都需要经过启动、运行、销毁时间，这势必增大系统的响应时间，有没有更好的办法降低线程的运行时间呢？

　　T2是无法避免的，只有通过优化代码来实现降低运行时间。T1和T2都可以通过线程池(Thread Pool)来缩减时间，比如在容器(或系统)启动时，创建足够多的线程，当容器(或系统)需要时直接从线程池中获得线程，运算出结果，再把线程返回到线程池中___ExecutorService就是实现了线程池的执行器，我们来看一个示例代码：

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 2个线程的线程池
        ExecutorService es = Executors.newFixedThreadPool(2);
        // 多次执行线程体
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            es.submit(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName());
                }
            });
        }
        // 关闭执行器
        es.shutdown();
    }

　　此段代码首先创建了一个包含两个线程的线程池，然后在线程池中多次运行线程体，输出运行时的线程名称，结果如下：

　　　　　　　　pool-1-thread-1
　　　　　　　　pool-1-thread-2
　　　　　　　　pool-1-thread-1
　　　　　　　　pool-1-thread-2

 　　本次代码执行了4遍线程体，按照我们之前阐述的" 一个线程不可能从结束状态转变为可运行状态 "，那为什么此处的2个线程可以反复使用呢？这就是我们要搞清楚的重点。

　　线程池涉及以下几个名词：

工作线程(Worker)：线程池中的线程，只有两个状态：可运行状态和等待状态，没有任务时它们处于等待状态，运行时它们循环的执行任务。

任务接口(Task)：这是每个任务必须实现的接口，以供工作线程调度器调度，它主要规定了任务的入口、任务执行完的场景处理，任务的执行状态等。这里有两种类型的任务：具有返回值(异常)的Callable接口任务和无返回值并兼容旧版本的Runnable接口任务。

任务对列(Work Quene)：也叫作工作队列，用于存放等待处理的任务，一般是BlockingQuene的实现类，用来实现任务的排队处理。

　　我们首先从线程池的创建说起，Executors.newFixedThreadPool(2)表示创建一个具有两个线程的线程池，源代码如下：

public class Executors {
    //生成一个最大为nThreads的线程池执行器
  public static ExecutorService newFixedThreadPool(int nThreads) {
        return new ThreadPoolExecutor(nThreads, nThreads,
                                      0L, TimeUnit.MILLISECONDS,
                                      new LinkedBlockingQueue<Runnable>());
    }

}

　　这里使用了LinkedBlockingQueue作为队列任务管理器，所有等待处理的任务都会放在该对列中，需要注意的是，此队列是一个阻塞式的单端队列。线程池建立好了，那就需要线程在其中运行了，线程池中的线程是在submit第一次提交任务时建立的，代码如下：

public Future<?> submit(Runnable task) {
        //检查任务是否为null
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        //把Runnable任务包装成具有返回值的任务对象，不过此时并没有执行，只是包装
        RunnableFuture<Object> ftask = newTaskFor(task, null);
        //执行此任务
        execute(ftask);
        //返回任务预期执行结果
        return ftask;
    }

　　此处的代码关键是execute方法，它实现了三个职责。

创建足够多的工作线程数，数量不超过最大线程数量，并保持线程处于运行或等待状态。

把等待处理的任务放到任务队列中

从任务队列中取出任务来执行

　　其中此处的关键是工作线程的创建，它也是通过new Thread方式创建的一个线程，只是它创建的并不是我们的任务线程(虽然我们的任务实现了Runnable接口，但它只是起了一个标志性的作用)，而是经过包装的Worker线程，代码如下：　　

private final class Worker implements Runnable {
// 运行一次任务
    private void runTask(Runnable task) {
        /* 这里的task才是我们自定义实现Runnable接口的任务 */
        task.run();
        /* 该方法其它代码略 */
    }
    // 工作线程也是线程，必须实现run方法
    public void run() {
        try {
            Runnable task = firstTask;
            firstTask = null;
            while (task != null || (task = getTask()) != null) {
                runTask(task);
                task = null;
            }
        } finally {
            workerDone(this);
        }
    }
    // 任务队列中获得任务
    Runnable getTask() {
        /* 其它代码略 */
        for (;;) {
            return r = workQueue.take();
        }
    }
}

　此处为示意代码，删除了大量的判断条件和锁资源。execute方法是通过Worker类启动的一个工作线程，执行的是我们的第一个任务，然后改线程通过getTask方法从任务队列中获取任务，之后再继续执行，但问题是任务队列是一个BlockingQuene，是阻塞式的，也就是说如果该队列的元素为0，则保持等待状态，直到有任务进入为止，我们来看LinkedBlockingQuene的take方法，代码如下：　　

public E take() throws InterruptedException {
        E x;
        int c = -1;
        final AtomicInteger count = this.count;
        final ReentrantLock takeLock = this.takeLock;
        takeLock.lockInterruptibly();
        try {
            try {
                // 如果队列中的元素为0，则等待
                while (count.get() == 0)
                    notEmpty.await();
            } catch (InterruptedException ie) {
                notEmpty.signal(); // propagate to a non-interrupted thread
                throw ie;
            }
            // 等待状态结束，弹出头元素
            x = extract();
            c = count.getAndDecrement();
            // 如果队列数量还多于一个，唤醒其它线程
            if (c > 1)
                notEmpty.signal();
        } finally {
            takeLock.unlock();
        }
        if (c == capacity)
            signalNotFull();
        // 返回头元素
        return x;
    }

　分析到这里，我们就明白了线程池的创建过程：创建一个阻塞队列以容纳任务，在第一次执行任务时创建做够多的线程(不超过许可线程数)，并处理任务，之后每个工作线程自行从任务对列中获得任务，直到任务队列中的任务数量为0为止，此时，线程将处于等待状态，一旦有任务再加入到队列中，即召唤醒工作线程进行处理，实现线程的可复用性。

　　使用线程池减少的是线程的创建和销毁时间，这对于多线程应用来说非常有帮助，比如我们常用的Servlet容器，每次请求处理的都是一个线程，如果不采用线程池技术，每次请求都会重新创建一个新的线程，这会导致系统的性能符合加大，响应效率下降，降低了系统的友好性。