Java線程安全性策略的實例分析

一、不可變物件

不可變物件需要滿足的條件

（1）物件建立以後其狀態就不能修改

（2）物件所有網域都是final類型

（3）物件是正確建立的（在物件建立期間，this引用沒有溢出）

對於不可變對象，可以參考JDK中的String類別

final關鍵字：類別、方法、變數

（1）修飾類別：該類別不能被繼承，String類，基礎類型的包裝類（如Integer、Long等）都是final類型。 final類別中的成員變數可以根據需要設定為final類型，但是final類別中的所有成員方法，都會被隱式的指定為final方法。

（2）修飾方法：鎖定方法不被繼承類別修改；效率。注意：一個類別的private方法會被隱式的指定為final方法

（3）修飾變數：基本資料型別變數（數值被初始化後不能再修改）、引用型別變數（初始化之後則不能再指向其他的物件）

在JDK中提供了一個Collections類，這個類別中提供了很多以unmodifiable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，將我們自己建立的Collection、List、Set、Map，傳遞到Collections.unmodifiableXXX方法中，就變成不可變的了。此時，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就會拋出java.lang.UnsupportedOperationException異常。

在Google的Guava中，包含了許多以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中添加如下依賴套件：

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

二、線程封閉

（1）Ad-hoc線程封閉：程式控制實現，最糟糕，忽略

（2）堆疊封閉：局部變量，無並發問題

（3）ThreadLocal線程封閉：特別好的封閉方法

三、線程不安全類別與寫法

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder:執行緒不安全；

StringBuffer：執行緒不安全；

##字串拼接當涉及多執行緒操作時，使用StringBuffer實作

在一個具體的方法中，定義一個字串拼接對象，此時可以使用StringBuilder實作。因為在一個方法內部定義局部變數進行使用時，屬於堆疊封閉，只有一個執行緒會使用變量，不涉及多執行緒對變數的操作，使用StringBuilder即可。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

#SimpleDateFormat:執行緒不安全，可以將其物件的實例化放入到特定的時間格式化方法中，實現線程安全性

JodaTime：線程安全

SimpleDateFormat線程不安全的程式碼範例如下：

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);
        }
    }
}

修改成如下程式碼即可。

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 {
    //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);
        }
    }
}

對於JodaTime需要在Maven中加入以下依賴套件：

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

範例程式碼如下：

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 {
    //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集合類為執行緒不安全類別

4. 先檢查再執行：if(condition(a)){handle(a);}

##注意：這種寫法是線程不安全的！ ！ ！ ！ ！

兩個執行緒同時執行這種操作，同時對if條件進行判斷，且a變數是執行緒共享的，如果兩個執行緒都滿足if條件，則兩個執行緒會同時執行handle (a)語句，此時，handle(a)語句就可能不是線程安全的。

不安全的點在於兩個操作中，即使前面的執行過程是線程安全的，後面的過程也是線程安全的，但是前後執行過程的間隙不是原子性的，因此，也會引發線程不安全的問題。

實際過程中，遇到if(condition(a)){handle(a);}類別的處理時，考慮a是否是執行緒共享的，如果是執行緒共享的，則需要在整個執行方法上加鎖，或保證if(condition(a)){handle(a);}的前後兩個運算（if判斷和程式碼執行）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，但可能會出現執行緒不安全的情況，執行緒不安全的程式碼範例如下：

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();
        }
    }
}

Stack：繼承自Vector，先進後出。

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

HashMap：執行緒不安全；

HashTable：執行緒安全，注意使用HashTable時， Key, Value都不能為null；

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

#注意：在遍歷集合的時候，不要對集合進行更新操作。當需要對集合中的元素進行刪除操作時，可以遍歷集合，先將需要刪除的元素標記，集合遍歷結束後，再進行刪除操作。例如，下面的範例程式碼：

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。

以上是Java線程安全性策略的實例分析的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！