六、共享模型之不可变

本章内容

• 不可变类的使用
• 不可变类设计
• 无状态类设计

6.1 日期转换的问题

1. 问题提出

下面的代码在运行时，由于 SimpleDateFormat 不是线程安全的

private static void test01() {
    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();
    }
}

有很大几率出现 java.lang.NumberFormatException 或者出现不正确的日期解析结果，例如：

12:02:00.338 c.Test1 [Thread-2] - {}
java.lang.NumberFormatException: empty String
	at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1842)
	at sun.misc.FloatingDecimal.parseDouble(FloatingDecimal.java:110)
	at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:538)
	at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:169)
	at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2089)
	at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:2162)
	at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
	at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
	at cn.itcast.n7.Test1.lambda$test01$1(Test1.java:31)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
12:02:00.338 c.Test1 [Thread-0] - {}
java.lang.NumberFormatException: For input string: ""
	at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
	at java.lang.Long.parseLong(Long.java:601)
	at java.lang.Long.parseLong(Long.java:631)
	at java.text.DigitList.getLong(DigitList.java:195)
	at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:2084)
	at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1869)
	at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
	at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
	at cn.itcast.n7.Test1.lambda$test01$1(Test1.java:31)
	at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-6] - Fri Apr 21 00:00:00 CST 1195
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-4] - Fri Apr 21 00:00:00 CST 1195
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-7] - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-8] - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-5] - Fri Apr 21 00:00:00 CST 1195
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-9] - Sat Apr 21 00:00:00 CST 1951
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-3] - Fri Apr 21 00:00:00 CST 1195
12:02:00.337 c.Test1 [Thread-1] - Fri Apr 21 00:00:00 CST 1195

2. 思路 - 同步锁

3. 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啊！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：

public static void test02() {
    DateTimeFormatter stf = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        new Thread(() -> {
            TemporalAccessor parse = stf.parse("1951-04-21");
            log.debug("{}", parse);
        }).start();
    }
}

可以看 DateTimeFormatter 的源码

6.2 不可变设计

6.2.1 String类的设计

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
    
    // ...
}

1. 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

2. 保护性拷贝

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) {
    //进行校验
    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);
    }
    //复制生成了一个新数组
    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）】

* 模式之享元

参考 《JUC并发编程 - 模式篇》保护性暂停模式 | 顺序控制模式 | 生产者消费者模式 | 两阶段终止模式 | Balking模式 | 享元模式

原理之 final

6.3 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】

区别

• 不可变：有成员，有状态，但是不可改变的，线程安全
• 无状态：无成员，无状态，也就不可变娄，线程安全

本章小结

不可变类使用

不可变类设计

• 原理方面
  • final
• 模式方面
  • 享元