如何解決Spring框架單例模式與線程安全之間矛盾

這篇文章主要介紹了解決Spring框架單例模式與線程安全之間矛盾的方法，具有一定借鑒價(jià)值，需要的朋友可以參考下。如下資料是關(guān)于解決Spring框架單例模式與線程安全之間矛盾的方法的詳細(xì)步驟內(nèi)容。

因?yàn)閷?xiě)程序時(shí)，或做單元測(cè)試時(shí)，很難有機(jī)會(huì)碰到多線程的問(wèn)題，因?yàn)闆](méi)有那么容易模擬多線程測(cè)試的環(huán)境。那么當(dāng)多個(gè)線程調(diào)用同一個(gè)bean的時(shí)候就會(huì)存在線程安全問(wèn)題。如果是Spring中bean的創(chuàng)建模式為非單例的，也就不存在這樣的問(wèn)題了。

但如果不去考慮潛在的漏洞，它就會(huì)變成程序的隱形殺手，在你不知道的時(shí)候爆發(fā)。而且，通常是程序交付使用時(shí)，在生產(chǎn)環(huán)境下觸發(fā)，會(huì)是很麻煩的事。

Spring使用ThreadLocal解決線程安全問(wèn)題

我們知道在一般情況下，只有無(wú)狀態(tài)的Bean才可以在多線程環(huán)境下共享，在Spring中，絕大部分Bean都可以聲明為singleton作用域。就是因?yàn)镾pring對(duì)一些Bean（如RequestContextHolder、TransactionSynchronizationManager、LocaleContextHolder等）中非線程安全狀態(tài)采用ThreadLocal進(jìn)行處理，讓它們也成為線程安全的狀態(tài)，因?yàn)橛袪顟B(tài)的Bean就可以在多線程中共享了。

一般的Web應(yīng)用劃分為展現(xiàn)層、服務(wù)層和持久層三個(gè)層次，在不同的層中編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的邏輯，下層通過(guò)接口向上層開(kāi)放功能調(diào)用。在一般情況下，從接收請(qǐng)求到返回響應(yīng)所經(jīng)過(guò)的所有程序調(diào)用都同屬于一個(gè)線程。

ThreadLocal是解決線程安全問(wèn)題一個(gè)很好的思路，它通過(guò)為每個(gè)線程提供一個(gè)獨(dú)立的變量副本解決了變量并發(fā)訪問(wèn)的沖突問(wèn)題。在很多情況下，ThreadLocal比直接使用synchronized同步機(jī)制解決線程安全問(wèn)題更簡(jiǎn)單，更方便，且結(jié)果程序擁有更高的并發(fā)性。

如果你的代碼所在的進(jìn)程中有多個(gè)線程在同時(shí)運(yùn)行，而這些線程可能會(huì)同時(shí)運(yùn)行這段代碼。如果每次運(yùn)行結(jié)果和單線程運(yùn)行的結(jié)果是一樣的，而且其他的變量的值也和預(yù)期的是一樣的，就是線程安全的。 或者說(shuō):一個(gè)類(lèi)或者程序所提供的接口對(duì)于線程來(lái)說(shuō)是原子操作或者多個(gè)線程之間的切換不會(huì)導(dǎo)致該接口的執(zhí)行結(jié)果存在二義性,也就是說(shuō)我們不用考慮同步的問(wèn)題。線程安全問(wèn)題都是由全局變量及靜態(tài)變量引起的。

若每個(gè)線程中對(duì)全局變量、靜態(tài)變量只有讀操作，而無(wú)寫(xiě)操作，一般來(lái)說(shuō)，這個(gè)全局變量是線程安全的；若有多個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行寫(xiě)操作，一般都需要考慮線程同步，否則就可能影響線程安全。
1） 常量始終是線程安全的，因?yàn)橹淮嬖谧x操作。
2）每次調(diào)用方法前都新建一個(gè)實(shí)例是線程安全的，因?yàn)椴粫?huì)訪問(wèn)共享的資源。
3）局部變量是線程安全的。因?yàn)槊繄?zhí)行一個(gè)方法，都會(huì)在獨(dú)立的空間創(chuàng)建局部變量，它不是共享的資源。局部變量包括方法的參數(shù)變量和方法內(nèi)變量。

有狀態(tài)就是有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。有狀態(tài)對(duì)象(Stateful Bean)，就是有實(shí)例變量的對(duì)象  ，可以保存數(shù)據(jù)，是非線程安全的。在不同方法調(diào)用間不保留任何狀態(tài)。

無(wú)狀態(tài)就是一次操作，不能保存數(shù)據(jù)。無(wú)狀態(tài)對(duì)象(Stateless Bean)，就是沒(méi)有實(shí)例變量的對(duì)象  .不能保存數(shù)據(jù)，是不變類(lèi)，是線程安全的。

有狀態(tài)對(duì)象:

無(wú)狀態(tài)的Bean適合用不變模式，技術(shù)就是單例模式，這樣可以共享實(shí)例，提高性能。有狀態(tài)的Bean，多線程環(huán)境下不安全，那么適合用Prototype原型模式。Prototype: 每次對(duì)bean的請(qǐng)求都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的bean實(shí)例。

Struts2默認(rèn)的實(shí)現(xiàn)是Prototype模式。也就是每個(gè)請(qǐng)求都新生成一個(gè)Action實(shí)例，所以不存在線程安全問(wèn)題。需要注意的是，如果由Spring管理action的生命周期， scope要配成prototype作用域

線程安全案例

SimpleDateFormat( 下面簡(jiǎn)稱 sdf) 類(lèi)內(nèi)部有一個(gè) Calendar 對(duì)象引用 , 它用來(lái)儲(chǔ)存和這個(gè) sdf 相關(guān)的日期信息 , 例如 sdf.parse(dateStr), sdf.format(date)  諸如此類(lèi)的方法參數(shù)傳入的日期相關(guān) String, Date 等等 ,  都是交友 Calendar 引用來(lái)儲(chǔ)存的 . 這樣就會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題 , 如果你的 sdf 是個(gè) static 的 ,  那么多個(gè) thread  之間就會(huì)共享這個(gè) sdf, 同時(shí)也是共享這個(gè) Calendar 引用 ,  并且 ,  觀察  sdf.parse()  方法 , 你會(huì)發(fā)現(xiàn)有如下的調(diào)用 :

 Date parse() {
   calendar.clear(); // 清理calendar
   ... // 執(zhí)行一些操作, 設(shè)置 calendar 的日期什么的
   calendar.getTime(); // 獲取calendar的時(shí)間
 }

這里會(huì)導(dǎo)致的問(wèn)題就是 ,  如果 線程 A  調(diào)用了  sdf.parse(),  并且進(jìn)行了 calendar.clear() 后還未執(zhí)行 calendar.getTime() 的時(shí)候 , 線程 B 又調(diào)用了 sdf.parse(), 這時(shí)候線程 B 也執(zhí)行了 sdf.clear() 方法 ,  這樣就導(dǎo)致線程 A 的的 calendar 數(shù)據(jù)被清空了 ( 實(shí)際上 A,B 的同時(shí)被清空了 ).  又或者當(dāng)  A  執(zhí)行了 calendar.clear()  后被掛起 ,  這時(shí)候 B  開(kāi)始調(diào)用 sdf.parse() 并順利 i 結(jié)束 ,  這樣  A  的  calendar 內(nèi)存儲(chǔ)的的 date 變成了后來(lái) B 設(shè)置的 calendar 的 date

這個(gè)問(wèn)題背后隱藏著一個(gè)更為重要的問(wèn)題 -- 無(wú)狀態(tài)：無(wú)狀態(tài)方法的好處之一，就是它在各種環(huán)境下，都可以安全的調(diào)用。衡量一個(gè)方法是否是有狀態(tài)的，就看它是否改動(dòng)了其它的東西，比如全局變量，比如實(shí)例的字段。 format 方法在運(yùn)行過(guò)程中改動(dòng)了SimpleDateFormat 的 calendar 字段，所以，它是有狀態(tài)的。

這也同時(shí)提醒我們?cè)陂_(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候注意下以下三點(diǎn) :

自己寫(xiě)公用類(lèi)的時(shí)候，要對(duì)多線程調(diào)用情況下的后果在注釋里進(jìn)行明確說(shuō)明

對(duì)線程環(huán)境下，對(duì)每一個(gè)共享的可變變量都要注意其線程安全性

我們的類(lèi)和方法在做設(shè)計(jì)的時(shí)候，要盡量設(shè)計(jì)成無(wú)狀態(tài)的

解決辦法

1. 需要的時(shí)候創(chuàng)建新實(shí)例：

說(shuō)明：在需要用到 SimpleDateFormat  的地方新建一個(gè)實(shí)例，不管什么時(shí)候，將有線程安全問(wèn)題的對(duì)象由共享變?yōu)榫植克接卸寄鼙苊舛嗑€程問(wèn)題，不過(guò)也加重了創(chuàng)建對(duì)象的負(fù)擔(dān)。在一般情況下，這樣其實(shí)對(duì)性能影響比不是很明顯的。

2. 使用同步：同步 SimpleDateFormat 對(duì)象

public class DateSyncUtil {
    private static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
      
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
        synchronized(sdf){
            return sdf.format(date);
        }  
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{
        synchronized(sdf){
            return sdf.parse(strDate);
        }
    } 
}

說(shuō)明：當(dāng)線程較多時(shí)，當(dāng)一個(gè)線程調(diào)用該方法時(shí)，其他想要調(diào)用此方法的線程就要block ，多線程并發(fā)量大的時(shí)候會(huì)對(duì)性能有一定的影響。

3. 使用 ThreadLocal ：

public class ConcurrentDateUtil {
    private static ThreadLocal<DateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<DateFormat>() {
        @Override
        protected DateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        }
    };
    public static Date parse(String dateStr) throws ParseException {
        return threadLocal.get().parse(dateStr);
    }
    public static String format(Date date) {
        return threadLocal.get().format(date);
    }
}

或

ThreadLocal<DateFormat>(); 
 
    public static DateFormat getDateFormat()   
    {  
        DateFormat df = threadLocal.get();  
        if(df==null){  
            df = new SimpleDateFormat(date_format);  
            threadLocal.set(df);  
        }  
        return df;  
    }  
    public static String formatDate(Date date) throws ParseException {
        return getDateFormat().format(date);
    }
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException {
        return getDateFormat().parse(strDate);
    }   
}

說(shuō)明：使用 ThreadLocal,  也是將共享變量變?yōu)楠?dú)享，線程獨(dú)享肯定能比方法獨(dú)享在并發(fā)環(huán)境中能減少不少創(chuàng)建對(duì)象的開(kāi)銷(xiāo)。如果對(duì)性能要求比較高的情況下，一般推薦使用這種方法。

4. 拋棄 JDK ，使用其他類(lèi)庫(kù)中的時(shí)間格式化類(lèi)：

使用 Apache commons  里的 FastDateFormat ，宣稱是既快又線程安全的SimpleDateFormat,  可惜它只能對(duì)日期進(jìn)行 format,  不能對(duì)日期串進(jìn)行解析。

使用 Joda-Time 類(lèi)庫(kù)來(lái)處理時(shí)間相關(guān)問(wèn)題

做一個(gè)簡(jiǎn)單的壓力測(cè)試，方法一最慢，方法三最快，但是就算是最慢的方法一性能也不差，一般系統(tǒng)方法一和方法二就可以滿足，所以說(shuō)在這個(gè)點(diǎn)很難成為你系統(tǒng)的瓶頸所在。從簡(jiǎn)單的角度來(lái)說(shuō)，建議使用方法一或者方法二，如果在必要的時(shí)候，追求那么一點(diǎn)性能提升的話，可以考慮用方法三，用 ThreadLocal 做緩存。

Joda-Time 類(lèi)庫(kù)對(duì)時(shí)間處理方式比較完美，建議使用。

以上就是Spring框架單例模式與線程安全之間矛盾的解決方法的具體介紹，內(nèi)容較為全面，而且我也相信有相當(dāng)?shù)囊恍┕ぞ呖赡苁俏覀內(nèi)粘９ぷ骺赡軙?huì)見(jiàn)到或用到的。通過(guò)這篇文章，希望你能收獲更多。