Java スレッド セーフティ戦略の分析例

1. 不変オブジェクト

不変オブジェクトが満たす必要がある条件

(1) オブジェクトの作成後、その状態を維持することはできません。修正される必要があります

(2) オブジェクトのすべてのフィールドは最終型です

(3) オブジェクトは正しく作成されます (オブジェクトの作成中に、この参照はオーバーフローしません)

不変オブジェクトについては、JDK の String クラスを参照してください。

最後のキーワード: クラス、メソッド、変数

(1) 変更されたクラス: このクラスは継承できません、String クラス、ラッパー クラス基本型 (Integer、Long など) はすべて Final 型です。最終クラスのメンバー変数は必要に応じて最終型に設定できますが、最終クラスのすべてのメンバー メソッドは暗黙的に最終メソッドとして指定されます。

(2) 変更方法: ロック方法は継承クラスによって変更されないため、効率的です。注: クラスのプライベート メソッドは、暗黙的に最終メソッドとして指定されます。

(3) 変更される変数: 基本データ型変数 (初期化後の値は変更できません)、参照型変数 (初期化後の値は変更できません)

は、JDK で Collections クラスを提供します。このクラスは、次のように unmodifiable で始まる多くのメソッドを提供します。

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

Collections.unmodifiableXXX メソッドの XXX には、Collection、List、Set、Map を指定できます...

このとき、Collection、List、Set、および自分で作成したマップ Collections.unmodifiableXXX メソッドでは、不変になります。このとき、Collection、List、Set、Map の要素を変更すると、java.lang.UnsupportedOperationException 例外がスローされます。

Google の Guava には、次のように Immutable で始まるクラスが多数あります。

ImmutableXXX、XXX は Collection、List、Set、Map です...

注: Google の Guava を使用するには、Maven に次の依存関係パッケージを追加する必要があります。

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>23.0</version>
</dependency>

2. スレッド クロージャ

(1) アドホック スレッド クロージャ: プログラム制御の実装、最悪の場合、無視

(2) スタック クロージャ: ローカル変数、同時実行の問題なし

(3) ThreadLocal スレッド クロージャ: 特に優れたクロージャ メソッド

3. スレッドの安全でないクラスとメソッドの記述

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder: スレッドが安全ではありません;

StringBuffer: スレッドが安全ではありません;

文字列の連結マルチスレッド操作の場合は、StringBuffer を使用して

特定のメソッドで文字列スプライシング オブジェクトを定義します。これは StringBuilder を使用して実装できます。ローカル変数がメソッド内で定義されて使用されるとき、スタックは閉じられるため、その変数を使用するのは 1 つのスレッドだけです。複数のスレッドによる変数の操作は含まれません。StringBuilder を使用するだけです。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

SimpleDateFormat: スレッド セーフではないため、そのオブジェクトのインスタンス化を特定の時刻フォーマット メソッドに入れてスレッド セーフを実現できます
JodaTime: スレッド セーフ

#SimpleDateFormat のスレッド セーフでないコード例は次のとおりです。

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);
        }
    }
}

これを次のコードに変更するだけです。

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);
        }
    }
}

JodaTime の場合、Maven に次の依存関係パッケージを追加する必要があります:

<dependency>
    <groupId>joda-time</groupId>
    <artifactId>joda-time</artifactId>
    <version>2.9</version>
</dependency>

サンプル コードは次のとおりです:

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 およびその他の Collections コレクション クラス これは、スレッド非安全なクラスです。

4. まず確認してから実行します: if(condition(a)){handle(a);}

注: この書き方はスレッドセーフではありません。 ！ ！ ！ ！

この操作を 2 つのスレッドが同時に実行し、同時に if 条件を判定し、変数をスレッド間で共有し、両方のスレッドが if 条件を満たした場合に 2 つのスレッドが実行します。 (a) ステートメント、現時点では、handle(a) ステートメントはスレッドセーフではない可能性があります。

安全でない点は、2 つの操作において、前の実行プロセスがスレッドセーフであっても、後続のプロセスもスレッドセーフですが、前後の実行プロセス間のギャップがアトミックではないことです。そのため、スレッドの安全性を脅かす問題も発生します。

実際の処理では、if(condition(a)){handle(a);} クラスが発生した場合、 a がスレッドで共有されているかどうかを考慮し、スレッドで共有されている場合は実行する必要があります。メソッドにロックを追加するか、if(condition(a)){handle(a);} の前後の 2 つの操作 (if 判定とコード実行) がアトミックであることを確認します。

4. スレッド セーフ - 同期コンテナ

1. ArrayList -> Vector、Stack

ArrayList: スレッド セーフ;

Vector: 同期操作スレッドアンセーフなコードの例は次のとおりです:

public class VectorExample {

    private static Vector<Integer> 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();
        }
    }
}

スタック: Vector から継承され、先入れ後出し。

2. HashMap -> HashTable(Key, Value not be null)

HashMap: スレッドは安全ではありません;

HashTable: スレッドは安全です、HashTable を使用する場合は注意してください。 Key も Value も null にすることはできません;

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

注: コレクションを走査するときは、コレクションを更新しないでください。コレクション内の要素を削除する必要がある場合は、コレクションを走査し、最初に削除する必要がある要素をマークし、コレクションの走査が完了した後に削除操作を実行できます。たとえば、次のサンプルコード:

public class VectorExample3 {

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

以上がJava スレッド セーフティ戦略の分析例の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。