第六章 - 共享模型之不可变

第六章 - 共享模型之不可变

如果一个对象在不能够修改其内部状态（属性），那么它就是线程安全的，因为不存在并发修改

• ​​类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性​​

日期转换的问题

问题提出

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的

private static void test() {
    SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                    log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                } catch (Exception e) {
                    log.error("{}", e);
                }
        }).start();
    }
}

• 有很大几率出现​​java.lang.NumberFormatException​​ 或者出现不正确的日期解析结果，例如：

思路 - 同步锁

这样虽能解决问题，但带来的是​​性能​​上的损失，并不算很好, 加锁耗性能

private static void test() {
    SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (sdf) {
                try {
                    log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
                } catch (Exception e) {
                    log.error("{}", e);
                }
            }
        }).start();
    }
}

思路 - 不可变

​​如果一个对象不能够修改其内部状态（属性），那么它就是线程安全的，因为不存在并发修改啊​​！这样的对象在Java 中有很多，例如在 Java 8 后，提供了一个新的日期格式化类：

public static void main(String[] args) {
        DateTimeFormatter stf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                TemporalAccessor parse = stf.parse("1951-04-21");
                log.debug("{}", parse);
            }).start();
        }
    }

• 可以看 DateTimeFormatter 的文档：

不可变设计

另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变设计的要素

public final class String
        implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
    
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

    // ...
}

• 发现该类、类中所有属性都是​​final​​ 的

• 属性用 final 修饰保证了该属性是​​只读​​的，不能修改
• ​​类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性​​。

final原理

设置 final 变量的原理

理解了 ​​volatile 原理 (读写屏障)​​，再对比 final 的实现就比较简单了

public class TestFinal {
   final int a = 20; 
 }

字节码

0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 20
7: putfield #2 // Field a:I
     <-- 写屏障
10: return

• 发现 final 变量的赋值也会通过putfield指令来完成，同样在这条指令之后也会加入​​写屏障​​，保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况。

获取 final 变量的原理

• 加了final，读取的操作在字节码层面是LDC，把变量从堆空间复制到栈内存，性能会好一些
• 不加的话，就是​​getStatic​​，从堆空间中获取

保护性拷贝

• 使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如​​substring、replace​​ 等，那么下面就看一看这些方法是 如何实现的，就以 substring 为例：

public String substring(int beginIndex, int endIndex) {
    if (beginIndex < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
    }
    if (endIndex > value.length) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(endIndex);
    }
    int subLen = endIndex - beginIndex;
    if (subLen < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
    }
    // 上面是一些校验，下面才是真正的创建新的String对象
    return ((beginIndex == 0) && (endIndex == value.length)) ? this
            : new String(value, beginIndex, subLen);
}

• 发现其方法最后是调用​​String 的构造方法创建了一个新字符串​​，再进入这个构造看看，是否对 final char[ ] value 做出了修改：

public String(char value[], int offset, int count) {
    if (offset < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
    }
    if (count <= 0) {
        if (count < 0) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
        }
        if (offset <= value.length) {
            this.value = "".value;
            return;
        }
    }
    // Note: offset or count might be near -1>>>1.
    if (offset > value.length - count) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
    }
    // 上面是一些安全性的校验，下面是给String对象的value赋值，新创建了一个数组来保存String对象的值
    this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

• 结果发现也没有，构造新字符串对象时，会生成新的 char[ ] value，对内容进行复制。
• 这种通过创建副本对象来避免共享的手段称之为【​​保护性拷贝（defensive copy）​​】

享元设计模式（重点）

简介

定义：

英文名称：Flyweight pattern. 当需要重用数量有限的同一类对象时

wikipedia：

A flflyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data as possible with other similar objects

出自：

“Gang of Four” design patterns

归类：

Structual patterns

体现

包装类

• 在JDK中​​Boolean，Byte，Short，Integer，Long，Character​​​ 等包装类提供了​​valueOf 方法​​，例如 Long 的valueOf 会缓存 -128~127 之间的 Long 对象，在这个范围之间会重用对象，大于这个范围，才会新建 Long 对象：

public static Long valueOf(long l) {
    final int offset = 128;
    if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
        return LongCache.cache[(int)l + offset];
    }
    return new Long(l);
}

注意：

• Byte, Short, Long 缓存的范围都是：​​-128 ~ 127​​
• Character 缓存的范围是：​​0 ~ 127​​
• Integer的默认范围是：​​-128 ~ 127​​​，最小值是不能变的，但最大值可以通过调整虚拟机参数 "-​​Djava.lang.Integer.IntegerCache.high​​ "来改变
• Boolean 缓存了​​TRUE 和 FALSE​​

String 串池

BigDecimal, BigInteger

实现一个简单的数据库连接池体现享元模式

• 例如：一个线上商城应用，QPS 达到数千，如果每次都重新创建和关闭数据库连接，性能会受到极大影响。 这时预先创建好一批连接，放入连接池。一次请求到达后，从连接池获取连接，使用完毕后再归还连接池，这样既节约了连接的创建和关闭时间，也实现了连接的重用，不至于让庞大的连接数压垮数据库。

/**
 * @author xiexu
 * @create 2022-02-08 5:53 PM
 */
@Slf4j(topic = "c.Test3")
public class Test3 {

    public static void main(String[] args) {
        // 使用连接池
        Pool pool = new Pool(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                Connection conn = pool.borrow();
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    pool.free(conn);
                }
            }).start();
        }
    }

}

@Slf4j(topic = "c.Pool")
class Pool {
    // 1. 连接池大小
    private final int poolSize;

    // 2. 连接对象数组
    private Connection[] connections;

    // 3. 连接状态数组: 0 表示空闲, 1 表示繁忙
    private AtomicIntegerArray states;

    // 4. 构造方法初始化
    public Pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.connections = new Connection[poolSize];
        // 使用AtomicIntegerArray保证states的线程安全
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            connections[i] = new MockConnection("连接" + (i + 1));
        }
    }

    // 5. 借出连接
    public Connection borrow() {
        while (true) {
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                // 获取空闲连接
                if (states.get(i) == 0) {
                    //使用compareAndSet保证线程安全
                    if (states.compareAndSet(i, 0, 1)) {
                        log.debug("borrow {}", connections[i]);
                        return connections[i];
                    }
                }
            }
            // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待, 如果不写这个synchronized,其他线程不会进行等待,
            // 一直在上面while(true), 空转, 消耗cpu资源
            synchronized (this) {
                try {
                    log.debug("wait...");
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    // 6. 归还连接
    public void free(Connection conn) {
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            if (connections[i] == conn) {
                states.set(i, 0);
                synchronized (this) {
                    log.debug("free {}", conn);
                    this.notifyAll();
                }
                break;
            }
        }
    }

}

@Slf4j(topic = "c.MockConnection")
class MockConnection implements Connection {

    private String name;

    public MockConnection(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MockConnection{" + "name='" + name + '\'' + '}';
    }

    @Override
    public Statement createStatement() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public String nativeSQL(String sql) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setAutoCommit(boolean autoCommit) throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean getAutoCommit() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void commit() throws SQLException {

    }

    @Override
    public void rollback() throws SQLException {

    }

    @Override
    public void close() throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean isClosed() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public DatabaseMetaData getMetaData() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setReadOnly(boolean readOnly) throws SQLException {

    }

    @Override
    public boolean isReadOnly() throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void setCatalog(String catalog) throws SQLException {

    }

    @Override
    public String getCatalog() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setTransactionIsolation(int level) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getTransactionIsolation() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public SQLWarning getWarnings() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void clearWarnings() throws SQLException {

    }

    @Override
    public Statement createStatement(int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Map<String, Class<?>> getTypeMap() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setTypeMap(Map<String, Class<?>> map) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void setHoldability(int holdability) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getHoldability() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public Savepoint setSavepoint() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Savepoint setSavepoint(String name) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void rollback(Savepoint savepoint) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void releaseSavepoint(Savepoint savepoint) throws SQLException {

    }

    @Override
    public Statement createStatement(int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public CallableStatement prepareCall(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int autoGeneratedKeys) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int[] columnIndexes) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public PreparedStatement prepareStatement(String sql, String[] columnNames) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Clob createClob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Blob createBlob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public NClob createNClob() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public SQLXML createSQLXML() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isValid(int timeout) throws SQLException {
        return false;
    }

    @Override
    public void setClientInfo(String name, String value) throws SQLClientInfoException {

    }

    @Override
    public void setClientInfo(Properties properties) throws SQLClientInfoException {

    }

    @Override
    public String getClientInfo(String name) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Properties getClientInfo() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Array createArrayOf(String typeName, Object[] elements) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public Struct createStruct(String typeName, Object[] attributes) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void setSchema(String schema) throws SQLException {

    }

    @Override
    public String getSchema() throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public void abort(Executor executor) throws SQLException {

    }

    @Override
    public void setNetworkTimeout(Executor executor, int milliseconds) throws SQLException {

    }

    @Override
    public int getNetworkTimeout() throws SQLException {
        return 0;
    }

    @Override
    public <T> T unwrap(Class<T> iface) throws SQLException {
        return null;
    }

    @Override
    public boolean isWrapperFor(Class<?> iface) throws SQLException {
        return false;
    }
}

以上实现没有考虑：

• 连接的动态增长与收缩
• 连接保活（可用性检测）
• 等待超时处理
• 分布式 hash

对于关系型数据库，有比较成熟的连接池实现，例如c3p0, druid等

对于更通用的对象池，可以考虑使用apache commons pool，例如redis连接池可以参考jedis中关于连接池的实现

无状态

• 在 web 阶段学习时，设计 Servlet 时为了保证其线程安全，都会有这样的建议，不要为 Servlet 设置成员变量，这种没有任何成员变量的类是线程安全的

• 因为成员变量保存的数据也可以称为状态信息，因此没有成员变量就称之为【无状态】

本章小结

• 不可变类使用
• 不可变类设计
• 原理方面

• final

• 模式方面

• 享元