前言
对于从事后端开发的同学来说,并发编程肯定再熟悉不过了。
说实话,在java中并发编程是一大难点,至少我是这么认为的。不光理解起来比较费劲,使用起来更容易踩坑。
不信,让继续往下面看。
今天重点跟大家一起聊聊并发编程的10个坑,希望对你有帮助。
正文
1. SimpleDateFormat线程不安全
在java8之前,我们对时间的格式化处理,一般都是用的SimpleDateFormat
类实现的。例如:
@Service public class SimpleDateFormatService { public Date time(String time) throws ParseException { SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); return dateFormat.parse(time); } }
如果你真的这样写,是没问题的。
就怕哪天抽风,你觉得dateFormat是一段固定的代码,应该要把它抽取成常量。
于是把代码改成下面的这样:
@Service public class SimpleDateFormatService { private static SimpleDateFormat dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"); public Date time(String time) throws ParseException { return dateFormat.parse(time); } }
dateFormat对象被定义成了静态常量,这样就能被所有对象共用。
如果只有一个线程调用time方法,也不会出现问题。
但Serivce类的方法,往往是被Controller类调用的,而Controller类的接口方法,则会被tomcat
的线程池
调用。换句话说,可能会出现多个线程调用同一个Controller类的同一个方法,也就是会出现多个线程会同时调用time方法的情况。
而time方法会调用SimpleDateFormat
类的parse
方法:
@Override public Date parse(String text, ParsePosition pos) { ... Date parsedDate; try { parsedDate = calb.establish(calendar).getTime(); ... } catch (IllegalArgumentException e) { pos.errorIndex = start; pos.index = oldStart; return null; } return parsedDate; }
该方法会调用establish
方法:
Calendar establish(Calendar cal) { ... //1.清空数据 cal.clear(); //2.设置时间 cal.set(...); //3.返回 return cal; }
其中的步骤1、2、3是非原子操作。
但如果cal对象是局部变量还好,坏就坏在parse方法调用establish方法时,传入的calendar是SimpleDateFormat
类的父类DateFormat
的成员变量:
public abstract class DateFormat extends Forma { .... protected Calendar calendar; ... }
这样就可能会出现多个线程,同时修改同一个对象即:dateFormat,他的同一个成员变量即:Calendar值的情况。
这样可能会出现,某个线程设置好了时间,又被其他的线程修改了,从而出现时间错误的情况。
那么,如何解决这个问题呢?
- SimpleDateFormat类的对象不要定义成静态的,可以改成方法的局部变量。
- 使用ThreadLocal保存SimpleDateFormat类的数据。
- 使用java8的DateTimeFormatter类。
2. 双重检查锁的漏洞
单例模式
无论在实际工作,还是在面试中,都出现得比较多。
我们都知道,单例模式有:饿汉模式
和懒汉模式
两种。
饿汉模式代码如下:
public class SimpleSingleton { //持有自己类的引用 private static final SimpleSingleton INSTANCE = new SimpleSingleton(); //私有的构造方法 private SimpleSingleton() { } //对外提供获取实例的静态方法 public static SimpleSingleton getInstance() { return INSTANCE; } }
使用饿汉模式的好处是:没有线程安全的问题,但带来的坏处也很明显。
private static final SimpleSingleton INSTANCE = new SimpleSingleton();
一开始就实例化对象了,如果实例化过程非常耗时,并且最后这个对象没有被使用,不是白白造成资源浪费吗?
还真是啊。
这个时候你也许会想到,不用提前实例化对象,在真正使用的时候再实例化不就可以了?
这就是我接下来要介绍的:懒汉模式
。
具体代码如下:
public class SimpleSingleton2 { private static SimpleSingleton2 INSTANCE; private SimpleSingleton2() { } public static SimpleSingleton2 getInstance() { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new SimpleSingleton2(); } return INSTANCE; } }
示例中的INSTANCE对象一开始是空的,在调用getInstance方法才会真正实例化。
嗯,不错不错。但这段代码还是有问题。
假如有多个线程中都调用了getInstance方法,那么都走到 if (INSTANCE == null) 判断时,可能同时成立,因为INSTANCE初始化时默认值是null。这样会导致多个线程中同时创建INSTANCE对象,即INSTANCE对象被创建了多次,违背了只创建一个INSTANCE对象的初衷。
为了解决饿汉模式
和懒汉模式
各自的问题,于是出现了:双重检查锁
。
具体代码如下:
public class SimpleSingleton4 { private static SimpleSingleton4 INSTANCE; private SimpleSingleton4() { } public static SimpleSingleton4 getInstance() { if (INSTANCE == null) { synchronized (SimpleSingleton4.class) { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new SimpleSingleton4(); } } } return INSTANCE; } }
需要在synchronized
前后两次判空。
但我要告诉你的是:这段代码有漏洞的。
有什么问题?
public static SimpleSingleton4 getInstance() { if (INSTANCE == null) {//1 synchronized (SimpleSingleton4.class) {//2 if (INSTANCE == null) {//3 INSTANCE = new SimpleSingleton4();//4 } } } return INSTANCE;//5 }
getInstance方法的这段代码,我是按1、2、3、4、5这种顺序写的,希望也按这个顺序执行。
但是java虚拟机实际上会做一些优化,对一些代码指令进行重排。重排之后的顺序可能就变成了:1、3、2、4、5,这样在多线程的情况下同样会创建多次实例。重排之后的代码可能如下:
public static SimpleSingleton4 getInstance() { if (INSTANCE == null) {//1 if (INSTANCE == null) {//3 synchronized (SimpleSingleton4.class) {//2 INSTANCE = new SimpleSingleton4();//4 } } } return INSTANCE;//5 }
原来如此,那有什么办法可以解决呢?
答:可以在定义INSTANCE是加上volatile
关键字。具体代码如下:
public class SimpleSingleton7 { private volatile static SimpleSingleton7 INSTANCE; private SimpleSingleton7() { } public static SimpleSingleton7 getInstance() { if (INSTANCE == null) { synchronized (SimpleSingleton7.class) { if (INSTANCE == null) { INSTANCE = new SimpleSingleton7(); } } } return INSTANCE; } }
volatile
关键字可以保证多个线程的可见性
,但是不能保证原子性
。同时它也能禁止指令重排
。
双重检查锁的机制既保证了线程安全,又比直接上锁提高了执行效率,还节省了内存空间。
3. volatile的原子性
从前面我们已经知道volatile
,是一个非常不错的关键字,它能保证变量在多个线程中的可见性
,它也能禁止指令重排
,但是不能保证原子性
。
使用volatile
关键字禁止指令重排,前面已经说过了,这里就不聊了。
可见性
主要体现在:一个线程对某个变量修改了,另一个线程每次都能获取到该变量的最新值。
先一起看看反例:
public class VolatileTest extends Thread { private boolean stopFlag = false; public boolean isStopFlag() { return stopFlag; } @Override public void run() { try { Thread.sleep(300); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } stopFlag = true; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stopFlag = " + stopFlag); } public static void main(String[] args) { VolatileTest vt = new VolatileTest(); vt.start(); while (true) { if (vt.isStopFlag()) { System.out.println("stop"); break; } } } }
上面这段代码中,VolatileTest是一个Thread
类的子类,它的成员变量stopFlag默认是false,在它的run方法中修改成了true。
然后在main方法的主线程中,用vt.isStopFlag()方法判断,如果它的值是true时,则打印stop
关键字。
那么,如何才能让stopFlag的值修改了,在主线程中通过vt.isStopFlag()方法,能够获取最新的值呢?
正例如下:
public class VolatileTest extends Thread { private volatile boolean stopFlag = false; public boolean isStopFlag() { return stopFlag; } @Override public void run() { try { Thread.sleep(300); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } stopFlag = true; System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " stopFlag = " + stopFlag); } public static void main(String[] args) { VolatileTest vt = new VolatileTest(); vt.start(); while (true) { if (vt.isStopFlag()) { System.out.println("stop"); break; } } } }
用volatile
关键字修饰stopFlag即可。
下面重点说说volatile的原子性问题。
使用多线程给count加1,代码如下:
public class VolatileTest { public volatile int count = 0; public void add() { count++; } public static void main(String[] args) { final VolatileTest test = new VolatileTest(); for (int i = 0; i < 20; i++) { new Thread() { @Override public void run() { for (int j = 0; j < 1000; j++) { test.add(); } } ; }.start(); } while (Thread.activeCount() > 2) { //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); } System.out.println(test.count); } }
执行结果每次都不一样,但可以肯定的是count值每次都小于20000,比如:19999。
这个例子中count是成员变量,虽说被定义成了volatile的,但由于add方法中的count++是非原子操作。在多线程环境中,count++的数据可能会出现问题。
由此可见,volatile
不能保证原子性
。
那么,如何解决这个问题呢?
答:使用synchronized
关键字。
改造后的代码如下:
public class VolatileTest { public int count = 0; public synchronized void add() { count++; } public static void main(String[] args) { final VolatileTest test = new VolatileTest(); for (int i = 0; i < 20; i++) { new Thread() { @Override public void run() { for (int j = 0; j < 1000; j++) { test.add(); } } ; }.start(); } while (Thread.activeCount() > 2) { //保证前面的线程都执行完 Thread.yield(); } System.out.println(test.count); } }
4. 死锁
死锁可能是大家都不希望遇到的问题,因为一旦程序出现了死锁,如果没有外力的作用,程序将会一直处于资源竞争的假死状态中。
死锁代码如下:
public class DeadLockTest { public static String OBJECT_1 = "OBJECT_1"; public static String OBJECT_2 = "OBJECT_2"; public static void main(String[] args) { LockA lockA = new LockA(); new Thread(lockA).start(); LockB lockB = new LockB(); new Thread(lockB).start(); } } class LockA implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { try { Thread.sleep(500); synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { System.out.println("LockA"); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } class LockB implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { try { Thread.sleep(500); synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { System.out.println("LockB"); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }
一个线程在获取OBJECT_1锁时,没有释放锁,又去申请OBJECT_2锁。而刚好此时,另一个线程获取到了OBJECT_2锁,也没有释放锁,去申请OBJECT_1锁。由于OBJECT_1和OBJECT_2锁都没有释放,两个线程将一起请求下去,陷入死循环,即出现死锁
的情况。
那么如果避免死锁问题呢?
4.1 缩小锁的范围
出现死锁的情况,有可能是像上面那样,锁范围太大了导致的。
那么解决办法就是缩小锁的范围
。
具体代码如下:
class LockA implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { System.out.println("LockA"); } } } class LockB implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { System.out.println("LockB"); } } }
在获取OBJECT_1锁的代码块中,不包含获取OBJECT_2锁的代码。同时在获取OBJECT_2锁的代码块中,也不包含获取OBJECT_1锁的代码。
4.2 保证锁的顺序
出现死锁的情况说白了是,一个线程获取锁的顺序是:OBJECT_1和OBJECT_2。而另一个线程获取锁的顺序刚好相反为:OBJECT_2和OBJECT_1。
那么,如果我们能保证每次获取锁的顺序都相同,就不会出现死锁问题。
具体代码如下:
class LockA implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { try { Thread.sleep(500); synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { System.out.println("LockA"); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } class LockB implements Runnable { @Override public void run() { synchronized (DeadLockTest.OBJECT_1) { try { Thread.sleep(500); synchronized (DeadLockTest.OBJECT_2) { System.out.println("LockB"); } } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } }
两个线程,每个线程都是先获取OBJECT_1锁,再获取OBJECT_2锁。
5. 没释放锁
在java中除了使用synchronized
关键字,给我们所需要的代码块加锁之外,还能通过Lock
关键字加锁。
使用synchronized
关键字加锁后,如果程序执行完毕,或者程序出现异常时,会自动释放锁。
但如果使用Lock
关键字加锁后,需要开发人员在代码中手动释放锁。
例如:
public class LockTest { private final ReentrantLock rLock = new ReentrantLock(); public void fun() { rLock.lock(); try { System.out.println("fun"); } finally { rLock.unlock(); } } }
代码中先创建一个ReentrantLock
类的实例对象rLock,调用它的lock
方法加锁。然后执行业务代码,最后再finally
代码块中调用unlock
方法。
但如果你没有在finally
代码块中,调用unlock
方法手动释放锁,线程持有的锁将不会得到释放。
6. HashMap导致内存溢出
HashMap
在实际的工作场景中,使用频率还是挺高的,比如:接收参数,缓存数据,汇总数据等等。
但如果你在多线程的环境中使用HashMap,可能会导致非常严重的后果。
@Service public class HashMapService { private Map<Long, Object> hashMap = new HashMap<>(); public void add(User user) { hashMap.put(user.getId(), user.getName()); } }
在HashMapService类中定义了一个HashMap的成员变量,在add方法中往HashMap中添加数据。在controller层的接口中调用add方法,会使用tomcat的线程池去处理请求,就相当于在多线程的场景下调用add方法。
在jdk1.7中,HashMap使用的数据结构是:数组
+链表
。如果在多线程的情况下,不断往HashMap中添加数据,它会调用resize
方法进行扩容。该方法在复制元素到新数组时,采用的头插法,在某些情况下,会导致链表会出现死循环。
死循环最终结果会导致:内存溢出
。
此外,如果HashMap中数据非常多,会导致链表很长。当查找某个元素时,需要遍历某个链表,查询效率不太高。
为此,jdk1.8之后,将HashMap的数据结构改成了:数组
+链表
+红黑树
。
如果同一个数组元素中的数据项小于8个,则还是用链表保存数据。如果大于8个,则自动转换成红黑树。
为什么要用红黑树?
答:链表的时间复杂度是O(n),而红黑树的时间复杂度是O(logn),红黑树的复杂度是优于链表的。
既然这样,为什么不直接使用红黑树?
答:树节点所占存储空间是链表节点的两倍,节点少的时候,尽管在时间复杂度上,红黑树比链表稍微好一些。但是由于红黑树所占空间比较大,HashMap综合考虑之后,认为节点数量少的时候用占存储空间更多的红黑树不划算。
jdk1.8中HashMap就不会出现死循环?
答:错,它在多线程环境中依然会出现死循环。在扩容的过程中,在链表转换为树的时候,for循环一直无法跳出,从而导致死循环。
那么,如果想多线程环境中使用HashMap该怎么办呢?
答:使用ConcurrentHashMap
。
7. 使用默认线程池
我们都知道jdk1.5之后,提供了ThreadPoolExecutor
类,用它可以自定义线程池
。
线程池的好处有很多,比如:
降低资源消耗
:避免了频繁的创建线程和销毁线程,可以直接复用已有线程。而我们都知道,创建线程是非常耗时的操作。提供速度
:任务过来之后,因为线程已存在,可以拿来直接使用。提高线程的可管理性
:线程是非常宝贵的资源,如果创建过多的线程,不仅会消耗系统资源,甚至会影响系统的稳定。使用线程池,可以非常方便的创建、管理和监控线程。
当然jdk为了我们使用更便捷,专门提供了:Executors
类,给我们快速创建线程池。
该类中包含了很多静态方法:
newCachedThreadPool
:创建一个可缓冲的线程,如果线程池大小超过处理需要,可灵活回收空闲线程,若无可回收,则新建线程。newFixedThreadPool
:创建一个固定大小的线程池,如果任务数量超过线程池大小,则将多余的任务放到队列中。newScheduledThreadPool
:创建一个固定大小,并且能执行定时周期任务的线程池。newSingleThreadExecutor
:创建只有一个线程的线程池,保证所有的任务安装顺序执行。
在高并发的场景下,如果大家使用这些静态方法创建线程池,会有一些问题。
那么,我们一起看看有哪些问题?
newFixedThreadPool
:允许请求的队列长度是Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求,从而导致OOM。newSingleThreadExecutor
:允许请求的队列长度是Integer.MAX_VALUE,可能会堆积大量的请求,从而导致OOM。newCachedThreadPool
:允许创建的线程数是Integer.MAX_VALUE,可能会创建大量的线程,从而导致OOM。
那我们该怎办呢?
优先推荐使用ThreadPoolExecutor
类,我们自定义线程池。
具体代码如下:
ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor( 8, //corePoolSize线程池中核心线程数 10, //maximumPoolSize 线程池中最大线程数 60, //线程池中线程的最大空闲时间,超过这个时间空闲线程将被回收 TimeUnit.SECONDS,//时间单位 new ArrayBlockingQueue(500), //队列 new ThreadPoolExecutor.CallerRunsPolicy()); //拒绝策略
顺便说一下,如果是一些低并发场景,使用Executors
类创建线程池也未尝不可,也不能完全一棍子打死。在这些低并发场景下,很难出现OOM问题,所以我们需要根据实际业务场景选择。
8. @Async注解的陷阱
之前在java并发编程中实现异步功能,一般是需要使用线程
或者线程池
。
线程池的底层也是用的线程。
而实现一个线程,要么继承Thread
类,要么实现Runnable
接口,然后在run方法中写具体的业务逻辑代码。
开发spring的大神们,为了简化这类异步操作,已经帮我们把异步功能封装好了。spring中提供了@Async
注解,我们可以通过它即可开启异步功能,使用起来非常方便。
具体做法如下:
1.在springboot
的启动类上面加上@EnableAsync
注解。
@EnableAsync @SpringBootApplication public class Application { public static void main(String[] args) { SpringApplication.run(Application.class, args); } }
2.在需要执行异步调用的业务方法加上@Async
注解。
@Service public class CategoryService { @Async public void add(Category category) { //添加分类 } }
3.在controller方法中调用这个业务方法。
@RestController @RequestMapping("/category") public class CategoryController { @Autowired private CategoryService categoryService; @PostMapping("/add") public void add(@RequestBody category) { categoryService.add(category); } }
这样就能开启异步功能了。
是不是很easy?
但有个坏消息是:用@Async注解开启的异步功能,会调用AsyncExecutionAspectSupport
类的doSubmit
方法。
默认情况会走else逻辑。
而else的逻辑最终会调用doExecute方法:
protected void doExecute(Runnable task) { Thread thread = (this.threadFactory != null ? this.threadFactory.newThread(task) : createThread(task)); thread.start(); }
我去,这不是每次都会创建一个新线程吗?
没错,使用@Async注解开启的异步功能,默认情况下,每次都会创建一个新线程。
如果在高并发的场景下,可能会产生大量的线程,从而导致OOM问题。
建议大家在@Async注解开启的异步功能时,请别忘了定义一个
线程池
。
9. 自旋锁浪费cpu资源
在并发编程中,自旋锁
想必大家都已经耳熟能详了。
自旋锁有个非常经典的使用场景就是:CAS
(即比较和交换),它是一种无锁化思想(说白了用了一个死循环),用来解决高并发场景下,更新数据的问题。
而atomic包下的很多类,比如:AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean等,都是用CAS实现的。
我们以AtomicInteger
类为例,它的incrementAndGet
没有每次都给变量加1。
public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; }
它的底层就是用的自旋锁实现的:
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5; }
在do...while死循环中,不停进行数据的比较和交换,如果一直失败,则一直循环重试。
如果在高并发的情况下,compareAndSwapInt会很大概率失败,因此导致了此处cpu不断的自旋,这样会严重浪费cpu资源。
那么,如果解决这个问题呢?
答:使用LockSupport
类的parkNanos
方法。
具体代码如下:
private boolean compareAndSwapInt2(Object var1, long var2, int var4, int var5) { if(this.compareAndSwapInt(var1,var2,var4, var5)) { return true; } else { LockSupport.parkNanos(10); return false; } }
当cas失败之后,调用LockSupport类的parkNanos方法休眠一下,相当于调用了Thread.Sleep方法。这样能够有效的减少频繁自旋导致cpu资源过度浪费的问题。
10. ThreadLocal用完没清空
在java中保证线程安全的技术有很多,可以使用synchroized、Lock等关键字给代码块加锁。
但是它们有个共同的特点,就是加锁会对代码的性能有一定的损耗。
其实,在jdk中还提供了另外一种思想即:用空间换时间
。
没错,使用ThreadLocal
类就是对这种思想的一种具体体现。
ThreadLocal为每个使用变量的线程提供了一个独立的变量副本,这样每一个线程都能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。
ThreadLocal的用法大致是这样的:
- 先创建一个CurrentUser类,其中包含了ThreadLocal的逻辑。
public class CurrentUser { private static final ThreadLocal<UserInfo> THREA_LOCAL = new ThreadLocal(); public static void set(UserInfo userInfo) { THREA_LOCAL.set(userInfo); } public static UserInfo get() { THREA_LOCAL.get(); } public static void remove() { THREA_LOCAL.remove(); } }
- 在业务代码中调用CurrentUser类。
public void doSamething(UserDto userDto) { UserInfo userInfo = convert(userDto); CurrentUser.set(userInfo); ... //业务代码 UserInfo userInfo = CurrentUser.get(); ... }
在业务代码的第一行,将userInfo对象设置到CurrentUser,这样在业务代码中,就能通过CurrentUser.get()获取到刚刚设置的userInfo对象。特别是对业务代码调用层级比较深的情况,这种用法非常有用,可以减少很多不必要传参。
但在高并发的场景下,这段代码有问题,只往ThreadLocal存数据,数据用完之后并没有及时清理。
ThreadLocal即使使用了WeakReference
(弱引用)也可能会存在内存泄露
问题,因为 entry对象中只把key(即threadLocal对象)设置成了弱引用,但是value值没有。
那么,如何解决这个问题呢?
public void doSamething(UserDto userDto) { UserInfo userInfo = convert(userDto); try{ CurrentUser.set(userInfo); ... //业务代码 UserInfo userInfo = CurrentUser.get(); ... } finally { CurrentUser.remove(); } }
需要在finally
代码块中,调用remove方法清理没用的数据。