深入理解高并发编程（一）

SimpleDateFormat线程安全问题

重现问题

• 定义实例变量

private final SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

• 多线程的环境使用 simpleDateFormat：下面的方法会重现线程安全问题

@Test
public void test() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                String dateString = simpleDateFormat.format(new Date());
                Date parse = simpleDateFormat.parse(dateString);
                logger.info(simpleDateFormat.format(parse));
            } catch (Exception e) {
                logger.error(e.getMessage(), e);
            }
        }).start();
    }
}

线程不安全的原因

Calendar establish(Calendar cal) {
		// ...
        cal.clear();
        // Set the fields from the min stamp to the max stamp so that
        // the field resolution works in the Calendar.
        for (int stamp = MINIMUM_USER_STAMP; stamp < nextStamp; stamp++) {
            for (int index = 0; index <= maxFieldIndex; index++) {
                if (field[index] == stamp) {
                    cal.set(index, field[MAX_FIELD + index]);
                    break;
                }
            }
        }
    	// ...
}

• 在CalendarBuilder.establish()方法中先后调用了cal.clear()与cal.set()，也就是先清除cal对象中设置的值，再重新设置新的值。

• 由于Calendar内部并没有线程安全机制，并且这两个操作也都不是原子性的，所以当多个线程同时操作一个SimpleDateFormat时就会引起cal的值混乱。类似地， format()方法也存在同样的问题

• DateFormat类中的Calendar对象被多线程共享，而Calendar对象本身不支持线程安全。

解决办法

• 注意下面的测试代码中为了方便直接使用 new Thread创建线程，不符合创建线程的规范，请使用规范使用线程池

局部变量

• 将SimpleDateFormat类对象定义成局部变量：会创建大量的SimpleDateFormat 对象，影响程序性能

synchronized锁

• SimpleDateFormat类对象定义成全局静态变量，此时所有线程共享SimpleDateFormat类对象，此时在调用格式化时间的方法时，对SimpleDateFormat对象进行同步 ，加锁之后相当与串行执行失去了多线程的意义

private static final SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

/**
 * <p> simpleDateFormat1 定义为类变量 对 simpleDateFormat1 在使用的时候同步处理 </p>
 * <p> 同步处理之后相当与串行执行 </p>
 */
@Test
public void test1() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                synchronized (simpleDateFormat) {
                    String dateString = simpleDateFormat.format(new Date());
                    Date parse = simpleDateFormat.parse(dateString);
                    logger.info(simpleDateFormat.format(parse));
                }
            } catch (Exception e) {
                logger.error(e.getMessage(), e);
            }
        }).start();
    }
}

Lock锁

• Lock锁方式 ：影响高并发场景下的性能

/**
 * 类变量
 */
private static final SimpleDateFormat simpleDateFormat1 = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

/**
* Lock对象
*/
private static Lock LOCK = new ReentrantLock();

/**
 * <p> simpleDateFormat1 定义为类变量 对 simpleDateFormat1 在使用的时候同步处理 </p>
 * <p> 使用 Lock 锁 </p>
 */
@Test
public void test2() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            LOCK.lock();
            try {
                String dateString = simpleDateFormat.format(new Date());
                Date parse = simpleDateFormat.parse(dateString);
                logger.info(simpleDateFormat.format(parse));
            } catch (Exception e) {
                logger.error(e.getMessage(), e);
            } finally {
                LOCK.unlock();
            }
        }).start();
    }
}

ThreadLocal

• 使用ThreadLocal存储每个线程拥有的SimpleDateFormat对象的副本，能够有效的避免多线程造成的线程安全问题

/**
 * 保证线程安全
 */
private static final ThreadLocal<DateFormat> DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL = ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));

/**
 * 使用 ThreadLocal
 */
@Test
public void test3() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                DateFormat dateFormat = DATE_FORMAT_THREAD_LOCAL.get();
                String dateString = dateFormat.format(new Date());
                Date parse = dateFormat.parse(dateString);
                logger.info(dateFormat.format(parse));
            } catch (Exception e) {
                logger.error("Error Occur:{}", e.getMessage(), e);
            }
        }).start();
    }
}

DateTimeFormatter

• DateTimeFormatter是Java8提供的新的日期时间API中的类，DateTimeFormatter类是线程安全的，可以在高并发场景下直接使用
  DateTimeFormatter类来处理日期的格式化操作

/**
 * DateTimeFormatter
 */
private static DateTimeFormatter DATE_TIME_FORMATTER = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

/**
 * 使用 DateTimeFormatter
 */
@Test
public void test4() {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        new Thread(() -> {
            try {
                String dateString = "2023-10-25 12:00:00";
                LocalDate localDate = LocalDate.parse(dateString, DATE_TIME_FORMATTER);
                logger.info(localDate.toString());
            } catch (Exception e) {
                logger.error("Error Occur:{}", e.getMessage(), e);
            }
        }).start();
    }
}

Thread源码解读

• Thread类的继承关系如图
  

Thread类定义

public class Thread implements Runnable {
    /* Make sure registerNatives is the first thing <clinit> does. */
    private static native void registerNatives();
    static {
        // 在静态代码块中调用注册本地系统资源的方法
        registerNatives();
    }
}

线程的状态定义

public enum State {
    //初始化状态
    NEW,
    //可运行状态，此时的可运行包括运行中的状态和就绪状态
    RUNNABLE,
    //线程阻塞状态
    BLOCKED,
    //等待状态
    WAITING,
    //超时等待状态
    TIMED_WAITING,
    //线程终止状态
    TERMINATED;
}

• 线程的生命周期，状态之间的转换图
  
• 初始：线程被构建没有调用start方法
• 可运行：运行中状态和就绪状态
• 阻塞状态：该状态的线程需要等到其他线程释放锁或者等待进入synchronized
• 等待：处于该状态的线程需要等待其它线程对其进行通知或者中端操作
• 超时等待：在一定的时间自行返回
• 终止：线程执行完毕

run()方法

• Thread类实现Runnable接口重写run()

@Override
public void run() {
    if (target != null) {
        target.run();
    }
}

• 要使用 run() 方法，需要继承Thread类并重写 run() 方法，将自定义的线程逻辑放在其中
• 直接调用 run() 方法并不会启动一个新线程，而是在当前线程中执行 run() 方法的代码。要启动一个新线程，必须调用 start() 方法。

start()方法

• start()方法使用synchronized关键字修饰，说明start()方法是同步的，它会在启动线程前检查线程的状态，如果不是初始化状态，则直接抛出异常

public synchronized void start() {
	// 校验线程初始状态
    if (threadStatus != 0)
        throw new IllegalThreadStateException();

    // 添加当前启动的线程到线程组
    group.add(this);
	// 标记线程是否已经启动
    boolean started = false;
    try {
        // 调用本地方法启动线程
        start0();
        // 将线程是否启动标记为true
        started = true;
    } finally {
        try {
            // 线程未启动成功
            if (!started) {
                // 将线程在线程组里标记为启动失败
                group.threadStartFailed(this);
            }
        } catch (Throwable ignore) {
            /* do nothing. If start0 threw a Throwable then
              it will be passed up the call stack */
        }
    }
}

private native void start0();

• 调用start()方法后，新创建的线程就会处于就绪状态（如果没有分配到CPU执行），当有空闲的CPU时，这个线程就会被分配CPU来执行，此时线程的状态为运行状态，JVM会调用线程的run()方法执行任务。

sleep()方法

• 调用sleep()方法使线程休眠后，线程不会释放相应的锁。

• 假设您想要一个线程暂停2秒(2000毫秒)。你可以使用sleep()方法实现如下

/**
 * <p> sleep </p>
 *
 * @throws InterruptedException InterruptedException
 */
@Test
public void test2() throws InterruptedException {
    Thread thread = new Thread(() -> {
        try {
            logger.info("Thread is sleeping...");
            Thread.sleep(2000);
            logger.info("Thread woke up!");
        } catch (InterruptedException e) {
            logger.error(e.getMessage());
        }
    });
    thread.start();
    Thread.sleep(8000);
    logger.info("主线程结束");
}

join()方法

• 当在一个线程上调用 join() 方法时，调用线程将进入等待状态，直到被加入的线程完成
• 如果被加入的线程已经执行完成，调用线程将立即继续执行
• 如果被加入的线程仍在运行，调用线程将等待，直到它完成或达到指定的超时时间
• 一旦被加入的线程完成，调用线程将恢复执行
• 如果被加入的线程被中断或超过了超时时间， join() 方法可能会抛出异常。因此，在使用 join() 方法时，最好处理可能出现的异常情况。

public class ThreadJoinTest {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ThreadJoinTest.class);

    /**
     * 如果主线程处理完其他的事务后，需要用到子线程的处理结果，也就是主线程需要等待子线程执行完成之后再结束，这个时候就要用到 join() 方法了。
     *
     * @param args args
     * @throws InterruptedException 中断异常
     */
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            JoinThreadTest joinTestTread = new JoinThreadTest(currentThread);
            Thread thread = new Thread(joinTestTread, "线程 " + i);
            thread.start();
            currentThread = thread;

        }
        Thread.sleep(5000);
        logger.info("主线程执行结束");
    }

    private static class JoinThreadTest implements Runnable {
        private final Thread thread;

        private JoinThreadTest(Thread currentThread) {
            thread = currentThread;
        }

        @Override
        public void run() {
            try {
                thread.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
            logger.info("当前线程：{}", Thread.currentThread().getName());
        }
    }
}

interrupt()方法

• interrupt() 方法是 Java 中用来中断正在执行的线程的方法。
• 它是在 Thread 类中定义的方法。当该方法在一个线程上被调用时，它会将该线程的中断状态设置为 true，从而导致任何阻塞的方法或 sleep 方法抛出 InterruptedException 异常。这样，线程可以优雅地退出执行或执行任何必要的清理任务

public void interrupt() {
    // 检查调用interrupt()的线程是否不是当前线程
    if (this != Thread.currentThread())
        // 如果它不是当前线程，则检查调用者是否具有修改线程所需的访问权限。
        checkAccess();
	// 使用blockerLock进入一个同步块。该锁用于在中断被阻塞在特定对象上的线程时防止出现竞争条件。
    synchronized (blockerLock) {
        // 检查线程当前是否被阻塞在可中断对象(阻塞器)上
        Interruptible b = blocker;
        if (b != null) {
            // 线程没有被可中断对象阻塞，它只需调用interrupt0()来设置线程的中断状态。
            interrupt0();          
            b.interrupt(this);
            return;
        }
    }
    interrupt0();
}

• 调用interrupt()不会强制终止线程。它只是设置线程的中断状态，允许它通过抛出InterruptedException或使用thread .interrupted()或isInterrupted()方法检查中断状态来优雅地处理中断。

stop()方法

• Java中的stop()方法是一个已弃用的方法，用于强制停止线程的执行。
• 强烈建议不要使用这种方法，因为它可能导致不可预测的行为和潜在的资源泄漏。
• 建议使用像interrupt()这样的协作方法来优雅地停止线程。下面是一个如何使用interrupt()方法来停止线程的示例:

/**
 * <p> interrupt 方法使用 </p>
 *
 * @throws InterruptedException InterruptedException
 */
@Test
public void test1() throws InterruptedException {
    Thread thread = new Thread(() -> {
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        while (true) {
            if (currentThread.isInterrupted()) {
                break;
            }
            logger.info("Current date:{}", System.currentTimeMillis());
        }
    });
    // 启动线程
    thread.start();
    // 主线程等待 3 秒
    Thread.sleep(1000);
    // 线程中断
    thread.interrupt();
    // 判断线程是否中断
    if (thread.isInterrupted()) {
        logger.info("Thread was interrupted..");
    }
    Thread.sleep(3000);
    logger.info("线程中断后3秒");
}

stop()和interupt()区别

• stop()方法是用于立即终止线程的执行，它会导致线程立即停止并且不会执行任何清理工作。这可能会导致线程在不安全的状态下停止，并且可能会破坏线程所持有的锁。因此，stop()方法已被标记为过时的方法，不推荐使用。
• interrupt()方法是用于中断线程的执行。当调用interrupt()方法时，它会设置线程的中断状态为"中断"，但实际上并不会立即停止线程。线程可以通过检查自身的中断状态来决定是否停止执行。通常，线程在执行过程中会周期性地检查中断状态，并根据需要进行适当的清理和终止操作。
• stop()方法是直接终止线程的执行，可能会导致线程在不安全状态下停止。
• interrupt()方法是设置线程的中断状态，并由线程自行决定是否停止执行。interrupt()方法更加安全和可控，推荐使用。

ThreadLocal

使用示例

public class ThreadLocalTest {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ThreadLocalTest.class);

    /**
     * 当使用 ThreadLocal 维护变量时，ThreadLocal 为每个使用该变量的线程提供独立的变量副本，
     * 所以每一个线程都可以独立地改变自己的副本，而不会影响其它线程所对应的副本。
     * 为了避免重复创建TSO（thread specific object，即与线程相关的变量） 使用 static final 修饰
     */
    private static final ThreadLocal<String> THREAD_LOCAL_MAP = new ThreadLocal<>();

    @Test
    public void test1() throws InterruptedException {
        ThreadPoolUtils.executor(new ThreadLocaleTask());
        ThreadPoolUtils.executor(new ThreadLocaleTask());

        Thread.sleep(5000);
    }

    private class ThreadLocaleTask implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            String name = Thread.currentThread().getName();
            THREAD_LOCAL_MAP.set(name);
            String str = THREAD_LOCAL_MAP.get();
            logger.info("线程变量当中的值：{}", str);
        }
    }
}

ThreadLocal原理

• Thread类中threadLocals和inheritableThreadLocals属性

public class Thread implements Runnable {

   // 只允许当前线程访问
   ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

   // 允许子线程访问
   ThreadLocal.ThreadLocalMap inheritableThreadLocals = null;
}

set()

• set方法把数据放到当前线程的threadLocals 变量中

public void set(T value) {
    // 获取调用 set 的线程
    Thread t = Thread.currentThread();
    // 获取 t 线程的 threadLocals 属性
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null)
        map.set(this, value);
    else
        createMap(t, value);
}

get()

• 通过当前线程来获取threadLocals成员变量，如果threadLocals成员变量不为空，则直接返回当前线程绑定的本地变量，否则调用setInitialValue()方法初始化threadLocals成员变量的值。

public T get() {
    Thread t = Thread.currentThread();
    ThreadLocalMap map = getMap(t);
    if (map != null) {
        ThreadLocalMap.Entry e = map.getEntry(this);
        if (e != null) {
            @SuppressWarnings("unchecked")
            T result = (T)e.value;
            return result;
        }
    }
    return setInitialValue();
}

remove()

public void remove() {
    // 根据当前线程获取threadLocals成员变量
     ThreadLocalMap m = getMap(Thread.currentThread());
     if (m != null)
         // threadLocals成员变量不为空，则移除value值
         m.remove(this);
 }

使用完 threadLocal之后必须调用 remove()否则有可能会造成内存泄漏问题

ThreadLocal的传递性

• 无传递性：父线程的线程变量，子线程无法获得父线程threadLocal的值

InheritableThreadLocal

• InheritableThreadLocal类继承自ThreadLocal类，它能够让子线程访问到在父线程中设置的本地变量的值

/**
 * InheritableThreadLocal 子线程可以访问父线程的属性
 */
private static ThreadLocal<String> INHER_ITABLE_MAP = new InheritableThreadLocal<>();

/**
 * InheritableThreadLocal 使用示例
 */
@Test
public void test2() {
    // 在主线程中设置值
    INHER_ITABLE_MAP.set("ThreadLocalTest");
    // 在子线程中获取值
    Thread thread = new Thread(() -> logger.info("子线程获取值：{}", INHER_ITABLE_MAP.get()));
    // 启动子线程
    thread.start();
    // 在主线程中获取值
    logger.info("主线程获取值：{}", INHER_ITABLE_MAP.get());
    INHER_ITABLE_MAP.remove();
}

• 使用InheritableThreadLocal类存储本地变量时，子线程能够获取到父线程中设置的本地变量

InheritableThreadLocal原理

• InheritableThreadLocal类的childValue()方法是何时被调用

private void init(ThreadGroup g, Runnable target, String name,
                  long stackSize, AccessControlContext acc,
                  boolean inheritThreadLocals) {
   	// ...
    // 判断传递的inheritThreadLocals变量是否为true
    // 父线程中的inheritableThreadLocals不为null，则调用ThreadLocal类的createInheritedMap()方法。  
    if (inheritThreadLocals && parent.inheritableThreadLocals != null)
        this.inheritableThreadLocals =
            ThreadLocal.createInheritedMap(parent.inheritableThreadLocals);
   
}

• 调用createInheritedMap：使用父线程的inheritableThreadLocals变量作为参数创建新的ThreadLocalMap对象。然后在Thread类的init()方法中会将这个ThreadLocalMap对象赋值给子线程的inheritableThreadLocals成员变量。

static ThreadLocalMap createInheritedMap(ThreadLocalMap parentMap) {
    return new ThreadLocalMap(parentMap);
}

• ThreadLocalMap构造方法如下：
  
• 在ThreadLocalMap的构造函数中，调用了InheritableThreadLocal类重写的childValue()方法。
  
• 而InheritableThreadLocal类通过重写getMap()方法和createMap()方法，让本地变量保存到了Thread线程的inheritableThreadLocals变量中，线程通过InheritableThreadLocal类的set()方法和get()方法设置变量时，就会创建当前线程的inheritableThreadLocals变量。
• 如果父线程创建子线程，在Thread类的构造函数中会把父线程中的inheritableThreadLocals变量里面的本地变量复制一份保存到子线程的inheritableThreadLocals变量中。