Java線程中的安全策略實(shí)例分析

這篇文章主要介紹“Java線程中的安全策略實(shí)例分析”，在日常操作中，相信很多人在Java線程中的安全策略實(shí)例分析問(wèn)題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對(duì)大家解答”Java線程中的安全策略實(shí)例分析”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請(qǐng)跟著小編一起來(lái)學(xué)習(xí)吧！

一、不可變對(duì)象

不可變對(duì)象需要滿足的條件

（1）對(duì)象創(chuàng)建以后其狀態(tài)就不能修改

（2）對(duì)象所有域都是final類(lèi)型

（3）對(duì)象是正確創(chuàng)建的（在對(duì)象創(chuàng)建期間，this引用沒(méi)有溢出）

對(duì)于不可變對(duì)象，可以參見(jiàn)JDK中的String類(lèi)

final關(guān)鍵字：類(lèi)、方法、變量

（1）修飾類(lèi)：該類(lèi)不能被繼承，String類(lèi)，基礎(chǔ)類(lèi)型的包裝類(lèi)（比如Integer、Long等）都是final類(lèi)型。final類(lèi)中的成員變量可以根據(jù)需要設(shè)置為final類(lèi)型，但是final類(lèi)中的所有成員方法，都會(huì)被隱式的指定為final方法。

（2）修飾方法：鎖定方法不被繼承類(lèi)修改；效率。注意：一個(gè)類(lèi)的private方法會(huì)被隱式的指定為final方法

（3）修飾變量：基本數(shù)據(jù)類(lèi)型變量（數(shù)值被初始化后不能再修改）、引用類(lèi)型變量（初始化之后則不能再指向其他的對(duì)象）

在JDK中提供了一個(gè)Collections類(lèi)，這個(gè)類(lèi)中提供了很多以u(píng)nmodifiable開(kāi)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(shí)，將我們自己創(chuàng)建的Collection、List、Set、Map，傳遞到Collections.unmodifiableXXX方法中，就變?yōu)椴豢勺兊牧?。此時(shí)，如果修改Collection、List、Set、Map中的元素就會(huì)拋出java.lang.UnsupportedOperationException異常。

在Google的Guava中，包含了很多以Immutable開(kāi)頭的類(lèi)，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(lài)包：

<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：程序控制實(shí)現(xiàn)，最糟糕，忽略

（2）堆棧封閉：局部變量，無(wú)并發(fā)問(wèn)題

（3）ThreadLocal線程封閉：特別好的封閉方法

三、線程不安全類(lèi)與寫(xiě)法

1. StringBuilder -> StringBuffer

StringBuilder:線程不安全；

StringBuffer：線程不安全；

字符串拼接涉及到多線程操作時(shí)，使用StringBuffer實(shí)現(xiàn)

在一個(gè)具體的方法中，定義一個(gè)字符串拼接對(duì)象，此時(shí)可以使用StringBuilder實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樵谝粋€(gè)方法內(nèi)部定義局部變量進(jìn)行使用時(shí)，屬于堆棧封閉，只有一個(gè)線程會(huì)使用變量，不涉及多線程對(duì)變量的操作，使用StringBuilder即可。

2. SimpleDateFormat -> JodaTime

SimpleDateFormat:線程不安全，可以將其對(duì)象的實(shí)例化放入到具體的時(shí)間格式化方法中，實(shí)現(xiàn)線程安全
JodaTime：線程安全

SimpleDateFormat線程不安全的代碼示例如下：

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");
    //請(qǐng)求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    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);
        }
    }
}

修改成如下代碼即可。

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 {
    //請(qǐng)求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    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(duì)于JodaTime需要在Maven中添加如下依賴(lài)包：

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

示例代碼如下：

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 {
    //請(qǐng)求總數(shù)
    public static int clientTotal = 5000;
    //同時(shí)并發(fā)執(zhí)行的線程數(shù)
    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(lèi)為線程不安全類(lèi)

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

注意：這種寫(xiě)法是線程不安全的?。。。?！

兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行這種操作，同時(shí)對(duì)if條件進(jìn)行判斷，并且a變量是線程共享的，如果兩個(gè)線程均滿足if條件，則兩個(gè)線程會(huì)同時(shí)執(zhí)行handle(a)語(yǔ)句，此時(shí)，handle(a)語(yǔ)句就可能不是線程安全的。

不安全的點(diǎn)在于兩個(gè)操作中，即使前面的執(zhí)行過(guò)程是線程安全的，后面的過(guò)程也是線程安全的，但是前后執(zhí)行過(guò)程的間隙不是原子性的，因此，也會(huì)引發(fā)線程不安全的問(wèn)題。

實(shí)際過(guò)程中，遇到if(condition(a)){handle(a);}類(lèi)的處理時(shí)，考慮a是否是線程共享的，如果是線程共享的，則需要在整個(gè)執(zhí)行方法上加鎖，或者保證if(condition(a)){handle(a);}的前后兩個(gè)操作（if判斷和代碼執(zhí)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，但是可能會(huì)出現(xiàn)線程不安全的情況，線程不安全的代碼示例如下：

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(jìn)后出。

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

HashMap：線程不安全；

HashTable：線程安全，注意使用HashTable時(shí)，Key, Value都不能為null；

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

注意：在遍歷集合的時(shí)候，不要對(duì)集合進(jìn)行更新操作。當(dāng)需要對(duì)集合中的元素進(jìn)行刪除操作時(shí)，可以遍歷集合，先對(duì)需要?jiǎng)h除的元素進(jìn)行標(biāo)記，集合遍歷結(jié)束后，再進(jìn)行刪除操作。例如，下面的示例代碼：

public class VectorExample3 {

    //此方法拋出：java.util.ConcurrentModificationException
    private static void test1(Vector<Integer> v1){
        for(Integer i : v1){
            if(i == 3){
                v1.remove(i);
            }
        }
    }
    //此方法拋出：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、線程安全-并發(fā)容器J.U.C

J.U.C表示的是java.util.concurrent報(bào)名的縮寫(xiě)。

1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList

ArrayList:線程不安全；

CopyOnWriteArrayList:線程安全；

寫(xiě)操作時(shí)復(fù)制，當(dāng)有新元素添加到CopyOnWriteArrayList數(shù)組時(shí)，先從原有的數(shù)組中拷貝一份出來(lái)，然后在新的數(shù)組中進(jìn)行寫(xiě)操作，寫(xiě)完之后再將原來(lái)的數(shù)組指向到新的數(shù)組。整個(gè)操作都是在鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。

CopyOnWriteArrayList缺點(diǎn)：

（1）每次寫(xiě)操作都需要復(fù)制一份，消耗內(nèi)存，如果元素特別多，可能導(dǎo)致GC；

（2）不能用于實(shí)時(shí)讀的場(chǎng)景，適合讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景；

CopyOnWriteArrayList設(shè)計(jì)思想：

（1）讀寫(xiě)分離

（2）最終一致性

（3）使用時(shí)另外開(kāi)辟空間，解決并發(fā)沖突

注意：CopyOnWriteArrayList讀操作時(shí)，都是在原數(shù)組上進(jìn)行的，不需要加鎖，寫(xiě)操作時(shí)復(fù)制，當(dāng)有新元素添加到CopyOnWriteArrayList數(shù)組時(shí)，先從原有的集合中拷貝一份出來(lái)，然后在新的數(shù)組中進(jìn)行寫(xiě)操作，寫(xiě)完之后再將原來(lái)的數(shù)組指向到新的數(shù)組。整個(gè)操作都是在鎖的保護(hù)下進(jìn)行的。

2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet

CopyOnWriteArraySet:線程安全的，底層實(shí)現(xiàn)使用了CopyOnWriteArrayList。

ConcurrentSkipListSet：JDK6新增的類(lèi)，支持排序。可以在構(gòu)造時(shí)，自定義比較器，基于Map集合。在多線程環(huán)境下，ConcurrentSkipListSet中的contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是線程安全的。但是，批量操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，并不保證整體一定是原子操作，只能保證批量操作中的每次操作是原子性的，因?yàn)榕坎僮髦惺且匝h(huán)的形式調(diào)用的單步操作，比如removeAll()操作下以循環(huán)的方式調(diào)用remove()操作。如下代碼所示：

//ConcurrentSkipListSet類(lèi)型中的removeAll()方法的源碼
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，在執(zhí)行ConcurrentSkipListSet中的批量操作時(shí)，需要考慮加鎖問(wèn)題。

注意：ConcurrentSkipListSet類(lèi)不允許使用空元素(null)。

3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap

ConcurrentHashMap:線程安全，不允許空值

ConcurrentSkipListMap：是TreeMap的線程安全版本，內(nèi)部是使用SkipList跳表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

4.ConcurrentSkipListMap與ConcurrentHashMap對(duì)比如下

（1）ConcurrentSkipListMap中的Key是有序的，ConcurrentHashMap中的Key是無(wú)序的；

（2）ConcurrentSkipListMap支持更高的并發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)的存取時(shí)間和線程數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)，在數(shù)據(jù)量一定的情況下，并發(fā)的線程數(shù)越多，ConcurrentSkipListMap越能體現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。

注意：在非對(duì)線程下盡量使用TreeMap，另外，對(duì)于并發(fā)數(shù)相對(duì)較低的并行程序，可以使用Collections.synchronizedSortedMap，將TreeMap進(jìn)行包裝；對(duì)于高并發(fā)程序，使用ConcurrentSkipListMap提供更高的并發(fā)度；在多線程高并發(fā)環(huán)境中，需要對(duì)Map的鍵值對(duì)進(jìn)行排序，盡量使用ConcurrentSkipListMap。

到此，關(guān)于“Java線程中的安全策略實(shí)例分析”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！