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

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：

19:10:40.859 [Thread-2] c.TestDateParse - {} 
java.lang.NumberFormatException: For input string: "" 
 at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65) 
 at java.lang.Long.parseLong(Long.java:601) 
 at java.lang.Long.parseLong(Long.java:631) 
 at java.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195) 
 at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084) 
 at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:2162) 
 at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) 
 at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) 
 at cn.itcast.n7.TestDateParse.lambda$test1$0(TestDateParse.java:18) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 
19:10:40.859 [Thread-1] c.TestDateParse - {} 
java.lang.NumberFormatException: empty String 
 at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1842) 
 at sun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110) 
 at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:538) 
 at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169) 
 at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089) 
 at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:2162) 
 at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514) 
 at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364) 
 at cn.itcast.n7.TestDateParse.lambda$test1$0(TestDateParse.java:18) 
 at java.lang.Thread.run(Thread.java:748) 
19:10:40.857 [Thread-8] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-9] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-6] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-4] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-5] c.TestDateParse - Mon Apr 21 00:00:00 CST 178960645 
19:10:40.857 [Thread-0] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-7] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951 
19:10:40.857 [Thread-3] c.TestDateParse - Sat Apr 21 00:00:00 CST 195

解决1 - 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：

SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 50; i++) {
 new Thread(() -> {
 synchronized (sdf) {
 try {
 log.debug("{}", sdf.parse("1951-04-21"));
 } catch (Exception e) {
 log.error("{}", e);
 }
 }
 }).start();
}

解决2 - 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：

DateTimeFormatter dtf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
for (int i = 0; i < 10; i++) {
 　　new Thread(() -> {
 　　　　LocalDate date = dtf.parse("2018-10-01", LocalDate::from);
 　　　　log.debug("{}", date);
 　　}).start();
}

可以看 DateTimeFormatter 的文档：

@implSpec
This class is immutable and thread-safe.

不可变对象，实际是另一种避免竞争的方式。

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
 
 // ...
 
}

1. final 的使用

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

2. 保护性拷贝

但有同学会说，使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如 substring 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) {
 　　if (beginIndex < 0) {
 　　　　throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
 　　}
 　　int subLen = value.length - beginIndex;
 　　if (subLen < 0) {
 　　　　throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
 　　}
 　　return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

发现其内部是调用 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;
 　　　　}
　　 }
 　　if (offset > value.length - count) {
 　　　　throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
 　　}
 　　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。这种通过在修改时创建副本对象来避免共享的手段称之为【保护性拷贝（defensive copy）】

享元模式

1. 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 flyweight 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

不可变类如果频繁地创建对象，开销较大，所以一般都是和享元模式结合在一起使用，一些常用的对象是缓存下来共享的。

2. 体现

2.1 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

最小值不能变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

Long 有一个 LongCache 内部类。Long 初始化时会创建这个 LongCache

　　private static class LongCache {
        private LongCache(){}

        static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];

        static {
            for(int i = 0; i < cache.length; i++)
                cache[i] = new Long(i - 128);
        }
    }

2.2 String 串池

JVM中有一个区域叫——字符串常量池，它的作用是在 String 是不可变类需要频繁创建新对象的前提下，提高性能以及节约存储空间，相当于是一个缓冲池

我们通常用 String = " abc"；来定义一个字符串，如果常量池没有这个字符串，就先在常量池中生成一个字符串常量

2.3 BigDecimal BigInteger

那为什么这些都是不可变类，线程安全的，之前还要用 AtomicInteger AtomicReference<BigDecimal> 呢？

因为这些单个方法是线程安全的，而方法的组合不能保证线程安全。比如之前的扣款操作，就要先 get 再赋值减少后的值

享元模式 - 自定义连接池

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，使用完毕后再还回连接池，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。

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];
 　　　　this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
 　　　　for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
 　　　　　　connections[i] = new MockConnection("连接" + (i+1));
 　　　　}
 　　}
 
　　 // 5. 借连接
 　　public Connection borrow() {
　　　　while(true) {
 　　　　　for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
 　　　　　　// 获取空闲连接
 　　　　　　if(states.get(i) == 0) {
 　　　　　　　　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。必须先 sychronized 才能调用 .wait() 方法
 　　　　  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;
 　　　　　　}
 　　　　}
 　　}
}

class MockConnection implements Connection {
 // 实现略
}

测试代码：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();
 　　　　}
　　　　 pool.free(conn);
 　　}).start();
}

只使用 CAS 等待 state 重新变为0，而不使用 wait notify 似乎也可以啊？

CAS 只适用于短时间使用的代码片段，让 CPU 陷入循环一直尝试 CAS 操作。但是数据库连接要去做增删改查，使用时间较长。所以不建议用 CAS

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

另外 tomcat jdbc 连接池比较简单，类比较少，可以自己去看看。

final 原理

1. 设置 final 变量的原理

理解了 volatile 原理，再对比 final 的实现就比较简单了

public class TestFinal {
 final int a = 20;
}

如果一个变量被声明为 final ，拿在赋值语句之后会加入一个写屏障：字节码保证在该屏障之前，对共享变量的改动，都同步到主存当中

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

2. 获取 final 变量的原理

不加 final：getstatic

加 final：复制到栈内存中

发表于 2023-09-02 23:22 archaique 阅读(4) 评论(0) 编辑收藏举报

五、共享模型之不可变