本文分享自华为云社区《【高并发】线程安全策略》，作者：冰 河 。
一、不可变对象
不可变对象需要满足的条件
（1）对象创建以后其状态就不能修改
（2）对象所有域都是 final 类型
（3）对象是正确创建的（在对象创建期间，this 引用没有溢出）
对于不可变对象，可以参见 JDK 中的 String 类
final 关键字：类、方法、变量
（1）修饰类：该类不能被继承，String 类，基础类型的包装类（比如 Integer、Long 等）都是 final 类型。final 类中的成员变量可以根据需要设置为 final 类型，但是 final 类中的所有成员方法，都会被隐式的指定为 final 方法。
（2）修饰方法：锁定方法不被继承类修改；效率。注意：一个类的 private 方法会被隐式的指定为 final 方法（3）修饰变量：基本数据类型变量（数值被初始化后不能再修改）、引用类型变量（初始化之后则不能再指向其他的对象）
在 JDK 中提供了一个 Collections 类，这个类中提供了很多以 unmodifiable 开头的方法，如下：
Collections.unmodifiableXXX: Collection、List、Set、Map…
其中 Collections.unmodifiableXXX 方法中的 XXX 可以是 Collection、List、Set、Map…
此时，将我们自己创建的 Collection、List、Set、Map，传递到 Collections.unmodifiableXXX 方法中，就变为不可变的了。此时，如果修改 Collection、List、Set、Map 中的元素就会抛出 java.lang.UnsupportedOperationException 异常。
在 Google 的 Guava 中，包含了很多以 Immutable 开头的类，如下：
ImmutableXXX,XXX 可以是 Collection、List、Set、Map…
注意：使用 Google 的 Guava，需要在 Maven 中添加如下依赖包：
<dependency> <groupId>com.google.guava</groupId> <artifactId>guava</artifactId> <version>23.0</version></dependency>
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二、线程封闭
（1）Ad-hoc 线程封闭：程序控制实现，最糟糕，忽略（2）堆栈封闭：局部变量，无并发问题（3）ThreadLocal 线程封闭：特别好的封闭方法
三、线程不安全类与写法
1. StringBuilder -> StringBuffer
StringBuilder:线程不安全；StringBuffer：线程不安全；
字符串拼接涉及到多线程操作时，使用 StringBuffer 实现
在一个具体的方法中，定义一个字符串拼接对象，此时可以使用 StringBuilder 实现。因为在一个方法内部定义局部变量进行使用时，属于堆栈封闭，只有一个线程会使用变量，不涉及多线程对变量的操作，使用 StringBuilder 即可。
2. SimpleDateFormat -> JodaTime
SimpleDateFormat:线程不安全，可以将其对象的实例化放入到具体的时间格式化方法中，实现线程安全 JodaTime：线程安全
SimpleDateFormat 线程不安全的代码示例如下：
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;@Slf4jpublic class DateFormatExample { private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyyMMdd"); //请求总数 public static int clientTotal = 5000; //同时并发执行的线程数 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); } }}
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修改成如下代码即可。
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;@Slf4jpublic class DateFormatExample2 { //请求总数 public static int clientTotal = 5000; //同时并发执行的线程数 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); } }}
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对于 JodaTime 需要在 Maven 中添加如下依赖包：
<dependency> <groupId>joda-time</groupId> <artifactId>joda-time</artifactId> <version>2.9</version></dependency>
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示例代码如下：
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;
@Slf4jpublic class DateFormatExample3 { //请求总数 public static int clientTotal = 5000; //同时并发执行的线程数 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)); }}
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3. ArrayList、HashSet、HashMap 等 Collections 集合类为线程不安全类
4. 先检查再执行：if(condition(a)){handle(a);}
注意：这种写法是线程不安全的！！！！！
两个线程同时执行这种操作，同时对 if 条件进行判断，并且 a 变量是线程共享的，如果两个线程均满足 if 条件，则两个线程会同时执行 handle(a)语句，此时，handle(a)语句就可能不是线程安全的。
不安全的点在于两个操作中，即使前面的执行过程是线程安全的，后面的过程也是线程安全的，但是前后执行过程的间隙不是原子性的，因此，也会引发线程不安全的问题。
实际过程中，遇到 if(condition(a)){handle(a);}类的处理时，考虑 a 是否是线程共享的，如果是线程共享的，则需要在整个执行方法上加锁，或者保证 if(condition(a)){handle(a);}的前后两个操作（if 判断和代码执行）是原子性的。
四、线程安全-同步容器
1. ArrayList -> Vector, Stack
ArrayList:线程不安全；
Vector:同步操作，但是可能会出现线程不安全的情况，线程不安全的代码示例如下：
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(); } }}
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Stack：继承自 Vector，先进后出。
2. HashMap -> HashTable(Key, Value 都不能为 null)
HashMap：线程不安全；HashTable：线程安全，注意使用 HashTable 时，Key, Value 都不能为 null；
3. Collections.synchronizedXXX(List、Set、Map)
注意：在遍历集合的时候，不要对集合进行更新操作。当需要对集合中的元素进行删除操作时，可以遍历集合，先对需要删除的元素进行标记，集合遍历结束后，再进行删除操作。例如，下面的示例代码：
public class VectorExample3 {
//此方法抛出：java.util.ConcurrentModificationException private static void test1(Vector<Integer> v1){ for(Integer i : v1){ if(i == 3){ v1.remove(i); } } } //此方法抛出：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); }}
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五、线程安全-并发容器 J.U.C
J.U.C 表示的是 java.util.concurrent 报名的缩写。
1. ArrayList -> CopyOnWriteArrayList
ArrayList:线程不安全；CopyOnWriteArrayList:线程安全；
写操作时复制，当有新元素添加到 CopyOnWriteArrayList 数组时，先从原有的数组中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。
CopyOnWriteArrayList 缺点：（1）每次写操作都需要复制一份，消耗内存，如果元素特别多，可能导致 GC；（2）不能用于实时读的场景，适合读多写少的场景；
CopyOnWriteArrayList 设计思想：
（1）读写分离
（2）最终一致性
（3）使用时另外开辟空间，解决并发冲突
注意：CopyOnWriteArrayList 读操作时，都是在原数组上进行的，不需要加锁，写操作时复制，当有新元素添加到 CopyOnWriteArrayList 数组时，先从原有的集合中拷贝一份出来，然后在新的数组中进行写操作，写完之后再将原来的数组指向到新的数组。整个操作都是在锁的保护下进行的。
2.HashSet、TreeSet -> CopyOnWriteArraySet、ConcurrentSkipListSet
CopyOnWriteArraySet:线程安全的，底层实现使用了 CopyOnWriteArrayList。
ConcurrentSkipListSet：JDK6 新增的类，支持排序。可以在构造时，自定义比较器，基于 Map 集合。在多线程环境下，ConcurrentSkipListSet 中的 contains()方法、add()、remove()、retain()等操作，都是线程安全的。但是，批量操作，比如：containsAll()、addAll()、removeAll()、retainAll()等操作，并不保证整体一定是原子操作，只能保证批量操作中的每次操作是原子性的，因为批量操作中是以循环的形式调用的单步操作，比如 removeAll()操作下以循环的方式调用 remove()操作。如下代码所示：
//ConcurrentSkipListSet类型中的removeAll()方法的源码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;}
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所以，在执行 ConcurrentSkipListSet 中的批量操作时，需要考虑加锁问题。
注意：ConcurrentSkipListSet 类不允许使用空元素(null)。
3. HashMap、TreeMap -> ConcurrentHashMap、ConcurrentSkipListMap
ConcurrentHashMap:线程安全，不允许空值
ConcurrentSkipListMap：是 TreeMap 的线程安全版本，内部是使用 SkipList 跳表结构实现
4.ConcurrentSkipListMap 与 ConcurrentHashMap 对比如下
（1）ConcurrentSkipListMap 中的 Key 是有序的，ConcurrentHashMap 中的 Key 是无序的；（2）ConcurrentSkipListMap 支持更高的并发，对数据的存取时间和线程数几乎无关，也就是说，在数据量一定的情况下，并发的线程数越多，ConcurrentSkipListMap 越能体现出它的优势。
注意：在非对线程下尽量使用 TreeMap，另外，对于并发数相对较低的并行程序，可以使用 Collections.synchronizedSortedMap，将 TreeMap 进行包装；对于高并发程序，使用 ConcurrentSkipListMap 提供更高的并发度；在多线程高并发环境中，需要对 Map 的键值对进行排序，尽量使用 ConcurrentSkipListMap。
六、安全共享对象的策略-总结
（1）线程限制：一个被线程限制的对象，由线程独占，并且只能被占有它的线程修改
（2）共享只读：一个共享只读的对象，在没有额外同步的情况下，可以被多个线程并发访问，但是任何线程都不能修改它。
（3）线程安全对象：一个线程安全的对象或者容器，在内部通过同步机制来保证线程安全，所以其他线程无需额外的同步就可以通过公共接口随意访问它
（4）被守护对象：被守护对象只能通过获取特定的锁来访问
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