1.什么是线程不安全?

线程不安全也叫非线程安全,是指多线程执行中,程序的执行结果和预期的结果不符的情况就叫做线程不安全。​

线程不安全的代码

SimpleDateFormat 就是一个典型的线程不安全事例,接下来我们动手来实现一下。首先我们先创建 10 个线程来格式化时间,时间格式化每次传递的待格式化时间都是不同的,所以程序如果正确执行将会打印 10 个不同的值,接下来我们来看具体的代码实现:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 执行时间格式化并打印结果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
    }
}

我们预期的正确结果是这样的(10 次打印的值都不同):

然而,以上程序的运行结果却是这样的:

从上述结果可以看出,当在多线程中使用 SimpleDateFormat 进行时间格式化是线程不安全的。​

2.解决方案

SimpleDateFormat 线程不安全的解决方案总共包含以下 5 种:

  1. SimpleDateFormat 定义为局部变量;
  2. 使用 synchronized 加锁执行;
  3. 使用 Lock 加锁执行(和解决方案 2 类似);
  4. 使用 ThreadLocal
  5. 使用 JDK 8 中提供的 DateTimeFormat

接下来我们分别来看每种解决方案的具体实现。

① 将 SimpleDateFormat 变为局部变量

SimpleDateFormat 定义为局部变量时,因为每个线程都是独享 SimpleDateFormat 对象的,相当于将多线程程序变成“单线程”程序了,所以不会有线程不安全的问题,具体实现代码如下:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建 SimpleDateFormat 对象
                    SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 执行时间格式化并打印结果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的执行结果为:

当打印的结果都不相同时,表示程序的执行是正确的,从上述结果可以看出,将 SimpleDateFormat 定义为局部变量之后,就可以成功的解决线程不安全问题了。​

② 使用 synchronized 加锁

锁是解决线程不安全问题最常用的手段,接下来我们先用 synchronized 来加锁进行时间格式化,实现代码如下:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample2 {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定义格式化的结果
                    String result = null;
                    synchronized (simpleDateFormat) {
                        // 时间格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    }
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的执行结果为:

③ 使用 Lock 加锁

在 Java 语言中,锁的常用实现方式有两种,除了 synchronized 之外,还可以使用手动锁 Lock,接下来我们使用 Lock 来对线程不安全的代码进行改造,实现代码如下:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * Lock 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample3 {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 创建 Lock 锁
        Lock lock = new ReentrantLock();
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定义格式化的结果
                    String result = null;
                    // 加锁
                    lock.lock();
                    try {
                        // 时间格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    } finally {
                        // 释放锁
                        lock.unlock();
                    }
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的执行结果为:

从上述代码可以看出,手动锁的写法相比于 synchronized 要繁琐一些。

④ 使用 ThreadLocal

加锁方案虽然可以正确的解决线程不安全的问题,但同时也引入了新的问题,加锁会让程序进入排队执行的流程,从而一定程度的降低了程序的执行效率,如下图所示:

那有没有一种方案既能解决线程不安全的问题,同时还可以避免排队执行呢?​

答案是有的,可以考虑使用 ThreadLocalThreadLocal 翻译为中文是线程本地变量的意思,字如其人 ThreadLocal 就是用来创建线程的私有(本地)变量的,每个线程拥有自己的私有对象,这样就可以避免线程不安全的问题了,实现如下:

知道了实现方案之后,接下来我们使用具体的代码来演示一下 ThreadLocal 的使用,实现代码如下:

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * ThreadLocal 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample4 {
    // 创建 ThreadLocal 对象,并设置默认值(new SimpleDateFormat)
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss"));

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 格式化时间
                    String result = threadLocal.get().format(date);
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的执行结果为:

ThreadLocal 和局部变量的区别

首先来说 ThreadLocal 不等于局部变量,这里的“局部变量”指的是像 2.1 示例代码中的局部变量, ThreadLocal 和局部变量最大的区别在于:ThreadLocal 属于线程的私有变量,如果使用的是线程池,那么 ThreadLocal 中的变量是可以重复使用的,而代码级别的局部变量,每次执行时都会创建新的局部变量,二者区别如下图所示:

更多关于 ThreadLocal 的内容,可以访问磊哥前面的文章《ThreadLocal不好用?那是你没用对!》

⑤ 使用 DateTimeFormatter

以上 4 种解决方案都是因为 SimpleDateFormat 是线程不安全的,所以我们需要加锁或者使用 ThreadLocal 来处理,然而,JDK 8 之后我们就有了新的选择,如果使用的是 JDK 8+ 版本,就可以直接使用 JDK 8 中新增的、安全的时间格式化工具类 DateTimeFormatter 来格式化时间了,接下来我们来具体实现一下。

使用 DateTimeFormatter 必须要配合 JDK 8 中新增的时间对象 LocalDateTime 来使用,因此在操作之前,我们可以先将 Date 对象转换成 LocalDateTime,然后再通过 DateTimeFormatter 来格式化时间,具体实现代码如下:

import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * DateTimeFormatter 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample5 {
    // 创建 DateTimeFormatter 对象
    private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 将 Date 转换成 JDK 8 中的时间类型 LocalDateTime
                    LocalDateTime localDateTime =
                            LocalDateTime.ofInstant(date.toInstant(), ZoneId.systemDefault());
                    // 时间格式化
                    String result = dateTimeFormatter.format(localDateTime);
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的执行结果为:

3.线程不安全原因分析

要了解 SimpleDateFormat 为什么是线程不安全的?我们需要查看并分析 SimpleDateFormat 的源码才行,那我们先从使用的方法 format 入手,源码如下:

private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
                                FieldDelegate delegate) {
    // 注意此行代码
    calendar.setTime(date);

    boolean useDateFormatSymbols = useDateFormatSymbols();

    for (int i = 0; i < compiledPattern.length; ) {
        int tag = compiledPattern[i] >>> 8;
        int count = compiledPattern[i++] & 0xff;
        if (count == 255) {
            count = compiledPattern[i++] << 16;
            count |= compiledPattern[i++];
        }

        switch (tag) {
            case TAG_QUOTE_ASCII_CHAR:
                toAppendTo.append((char)count);
                break;

            case TAG_QUOTE_CHARS:
                toAppendTo.append(compiledPattern, i, count);
                i += count;
                break;

            default:
                subFormat(tag, count, delegate, toAppendTo, useDateFormatSymbols);
                break;
        }
    }
    return toAppendTo;
}

也许是好运使然,没想到刚开始分析第一个方法就找到了线程不安全的问题所在。​

从上述源码可以看出,在执行 SimpleDateFormat.format 方法时,会使用 calendar.setTime 方法将输入的时间进行转换,那么我们想象一下这样的场景:

  1. 线程 1 执行了 calendar.setTime(date) 方法,将用户输入的时间转换成了后面格式化时所需要的时间;
  2. 线程 1 暂停执行,线程 2 得到 CPU 时间片开始执行;
  3. 线程 2 执行了 calendar.setTime(date) 方法,对时间进行了修改;
  4. 线程 2 暂停执行,线程 1 得出 CPU 时间片继续执行,因为线程 1 和线程 2 使用的是同一对象,而时间已经被线程 2 修改了,所以此时当线程 1 继续执行的时候就会出现线程安全的问题了。

正常的情况下,程序的执行是这样的:

非线程安全的执行流程是这样的:

在多线程执行的情况下,线程 1 的 date1 和线程 2 的 date2,因为执行顺序的问题,最终都被格式化成 date2 formatted,而非线程 1 date1 formatted 和线程 2 date2 formatted,这样就会导致线程不安全的问题。

4.各方案优缺点总结

如果使用的是 JDK 8+ 版本,可以直接使用线程安全的 DateTimeFormatter 来进行时间格式化,如果使用的 JDK 8 以下版本或者改造老的 SimpleDateFormat 代码,可以考虑使用 synchronizedThreadLocal 来解决线程不安全的问题。因为实现方案 1 局部变量的解决方案,每次执行的时候都会创建新的对象,因此不推荐使用。synchronized 的实现比较简单,而使用 ThreadLocal 可以避免加锁排队执行的问题。

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本文作者: InfoQ

余下全文(1/3)

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