不可变

java8不可变日期类不可变设计 final 的使用 final 变量的原理设置final变量的原理保护性拷贝享元模式包装类 String字符串池 BigDecimal BigInteger 连接池无状态

java8不可变日期类

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的,有很大几率出现 java.lang.NumberFormatException 或者出现不正确的日期解析结果


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();

思路 - 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,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();

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
	// ... 
}

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

final 变量的原理

设置final变量的原理


public class TestFinal {
final int a = 20;
}

字节码


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

发现 final 变量的赋值也会通过 putfield 指令来完成，同样在这条指令之后也会加入写屏障，保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况


public class TestFinal {
    static int A = 10;
    static int B = Short.MAX_VALUE+1;

    final int a = 20;
    final int b = Integer.MAX_VALUE;

    final void test1() {
        final int c = 30;
        new Thread(()->{
            System.out.println(c);
        }).start();

        final int d = 30;
        class Task implements Runnable {

            @Override
            public void run() {
                System.out.println(d);
            }
        }
        new Thread(new Task()).start();
    }

}

class UseFinal1 {
    public void test() {
        System.out.println(TestFinal.A);
        System.out.println(TestFinal.B);
        System.out.println(new TestFinal().a);
        System.out.println(new TestFinal().b);
        new TestFinal().test1();
    }
}

class UseFinal2 {
    public void test() {
        System.out.println(TestFinal.A);
    }
}


// class version 52.0 (52)
// access flags 0x20
class cn/itcast/n5/UseFinal2 {

  // compiled from: TestFinal.java

  // access flags 0x0
  <init>()V
   L0
    LINENUMBER 39 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this Lcn/itcast/n5/UseFinal2; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x1
  public test()V
   L0
    LINENUMBER 41 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    GETSTATIC cn/itcast/n5/TestFinal.A : I
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L1
    LINENUMBER 42 L1
    RETURN
   L2
    LOCALVARIABLE this Lcn/itcast/n5/UseFinal2; L0 L2 0
    MAXSTACK = 2
    MAXLOCALS = 1
}

GETSTATIC cn/itcast/n5/TestFinal.A : I使用共享内存的变量A


// class version 52.0 (52)
// access flags 0x20
class cn/itcast/n5/UseFinal1 {

  // compiled from: TestFinal.java

  // access flags 0x0
  <init>()V
   L0
    LINENUMBER 29 L0
    ALOAD 0
    INVOKESPECIAL java/lang/Object.<init> ()V
    RETURN
   L1
    LOCALVARIABLE this Lcn/itcast/n5/UseFinal1; L0 L1 0
    MAXSTACK = 1
    MAXLOCALS = 1

  // access flags 0x1
  public test()V
   L0
    LINENUMBER 31 L0
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    GETSTATIC cn/itcast/n5/TestFinal.A : I
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L1
    LINENUMBER 32 L1
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    GETSTATIC cn/itcast/n5/TestFinal.B : I
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L2
    LINENUMBER 33 L2
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    NEW cn/itcast/n5/TestFinal
    DUP
    INVOKESPECIAL cn/itcast/n5/TestFinal.<init> ()V
    INVOKEVIRTUAL java/lang/Object.getClass ()Ljava/lang/Class;
    POP
    BIPUSH 20
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L3
    LINENUMBER 34 L3
    GETSTATIC java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;
    NEW cn/itcast/n5/TestFinal
    DUP
    INVOKESPECIAL cn/itcast/n5/TestFinal.<init> ()V
    INVOKEVIRTUAL java/lang/Object.getClass ()Ljava/lang/Class;
    POP
    LDC 2147483647
    INVOKEVIRTUAL java/io/PrintStream.println (I)V
   L4
    LINENUMBER 35 L4
    NEW cn/itcast/n5/TestFinal
    DUP
    INVOKESPECIAL cn/itcast/n5/TestFinal.<init> ()V
    INVOKEVIRTUAL cn/itcast/n5/TestFinal.test1 ()V
   L5
    LINENUMBER 36 L5
    RETURN
   L6
    LOCALVARIABLE this Lcn/itcast/n5/UseFinal1; L0 L6 0
    MAXSTACK = 3
    MAXLOCALS = 1
}

BIPUSH 20 LDC 2147483647 使用final后是在栈内存中获取变量的值。

保护性拷贝

在修改操作时候,使用保护性拷贝创建新的对象

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;
            }
        }
        // Note: offset or count might be near -1>>>1.
        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

英文名称：Flyweight pattern. A flyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data as possible with other similar objects

Java中体现

享元模式

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

String字符串池

BigDecimal BigInteger

连接池

定义数据连接池

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


@Slf4j(topic = "c.Pool")
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
            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 {

    private String name;

    public MockConnection(String name) {
        this.name = name;
    }
}

使用自定义连接池


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();
        }
//11:07:21.259 c.Pool [Thread-2] - wait...
//11:07:21.259 c.Pool [Thread-0] - borrow MockConnection{name='连接1'}
//11:07:21.259 c.Pool [Thread-1] - borrow MockConnection{name='连接2'}
//11:07:21.262 c.Pool [Thread-4] - wait...
//11:07:21.262 c.Pool [Thread-3] - wait...
//11:07:21.727 c.Pool [Thread-1] - free MockConnection{name='连接2'}
//11:07:21.727 c.Pool [Thread-3] - borrow MockConnection{name='连接2'}
//11:07:21.727 c.Pool [Thread-4] - wait...
//11:07:21.727 c.Pool [Thread-2] - wait...
//11:07:21.886 c.Pool [Thread-3] - free MockConnection{name='连接2'}
//11:07:21.886 c.Pool [Thread-4] - wait...
//11:07:21.886 c.Pool [Thread-2] - borrow MockConnection{name='连接2'}
//11:07:22.074 c.Pool [Thread-2] - free MockConnection{name='连接2'}
//11:07:22.074 c.Pool [Thread-4] - borrow MockConnection{name='连接2'}
//11:07:22.126 c.Pool [Thread-4] - free MockConnection{name='连接2'}
//11:07:22.228 c.Pool [Thread-0] - free MockConnection{name='连接1'}

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

无状态

在 web 阶段学习时，设计 Servlet 时为了保证其线程安全，都会有这样的建议，不要为 Servlet 设置成员变量，这种没有任何成员变量的类是线程安全的因为成员变量保存的数据也可以称为状态信息，因此没有成员变量就称之为【无状态】