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作者 | 王磊

來源 | Java中文社群（ID：javacn666）

轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系授權(quán)（微信ID：GG_Stone）

1.什么是線程不安全？

線程不安全也叫非線程安全，是指多線程執(zhí)行中，程序的執(zhí)行結(jié)果和預(yù)期的結(jié)果不符的情況就叫著線程不安全。

線程不安全的代碼

SimpleDateFormat 就是一個(gè)典型的線程不安全事例，接下來我們動(dòng)手來實(shí)現(xiàn)一下。首先我們先創(chuàng)建 10 個(gè)線程來格式化時(shí)間，時(shí)間格式化每次傳遞的待格式化時(shí)間都是不同的，所以程序如果正確執(zhí)行將會(huì)打印 10 個(gè)不同的值，接下來我們來看具體的代碼實(shí)現(xiàn)：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample {
    // 創(chuàng)建 SimpleDateFormat 對(duì)象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 執(zhí)行時(shí)間格式化并打印結(jié)果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
    }
}

我們預(yù)期的正確結(jié)果是這樣的（10 次打印的值都不同）：

然而，以上程序的運(yùn)行結(jié)果卻是這樣的：

從上述結(jié)果可以看出，當(dāng)在多線程中使用 SimpleDateFormat 進(jìn)行時(shí)間格式化是線程不安全的。

2.解決方案

SimpleDateFormat 線程不安全的解決方案總共包含以下 5 種：

將 SimpleDateFormat 定義為局部變量；
使用 synchronized 加鎖執(zhí)行；
使用 Lock 加鎖執(zhí)行（和解決方案 2 類似）；
使用 ThreadLocal；
使用 JDK 8 中提供的 DateTimeFormat。

接下來我們分別來看每種解決方案的具體實(shí)現(xiàn)。

① SimpleDateFormat改為局部變量

將 SimpleDateFormat 定義為局部變量時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)線程都是獨(dú)享 SimpleDateFormat 對(duì)象的，相當(dāng)于將多線程程序變成“單線程”程序了，所以不會(huì)有線程不安全的問題，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample {
    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建 SimpleDateFormat 對(duì)象
                    SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 執(zhí)行時(shí)間格式化并打印結(jié)果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
        // 任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉線程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

當(dāng)打印的結(jié)果都不相同時(shí)，表示程序的執(zhí)行是正確的，從上述結(jié)果可以看出，將 SimpleDateFormat 定義為局部變量之后，就可以成功的解決線程不安全問題了。

② 使用synchronized加鎖

鎖是解決線程不安全問題最常用的手段，接下來我們先用 synchronized 來加鎖進(jìn)行時(shí)間格式化，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

public class SimpleDateFormatExample2 {
    // 創(chuàng)建 SimpleDateFormat 對(duì)象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定義格式化的結(jié)果
                    String result = null;
                    synchronized (simpleDateFormat) {
                        // 時(shí)間格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    }
                    // 打印結(jié)果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉線程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

③ 使用Lock加鎖

在 Java 語言中，鎖的常用實(shí)現(xiàn)方式有兩種，除了 synchronized 之外，還可以使用手動(dòng)鎖 Lock，接下來我們使用 Lock 來對(duì)線程不安全的代碼進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * Lock 解決線程不安全問題
 */
public class SimpleDateFormatExample3 {
    // 創(chuàng)建 SimpleDateFormat 對(duì)象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 創(chuàng)建 Lock 鎖
        Lock lock = new ReentrantLock();
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定義格式化的結(jié)果
                    String result = null;
                    // 加鎖
                    lock.lock();
                    try {
                        // 時(shí)間格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    } finally {
                        // 釋放鎖
                        lock.unlock();
                    }
                    // 打印結(jié)果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉線程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

從上述代碼可以看出，手動(dòng)鎖的寫法相比于 synchronized 要繁瑣一些。

④ 使用ThreadLocal

加鎖方案雖然可以正確的解決線程不安全的問題，但同時(shí)也引入了新的問題，加鎖會(huì)讓程序進(jìn)入排隊(duì)執(zhí)行的流程，從而一定程度的降低了程序的執(zhí)行效率，如下圖所示：

那有沒有一種方案既能解決線程不安全的問題，同時(shí)還可以避免排隊(duì)執(zhí)行呢？

答案是有的，可以考慮使用 ThreadLocal。ThreadLocal 翻譯為中文是線程本地變量的意思，字如其人 ThreadLocal 就是用來創(chuàng)建線程的私有（本地）變量的，每個(gè)線程擁有自己的私有對(duì)象，這樣就可以避免線程不安全的問題了，實(shí)現(xiàn)如下：

知道了實(shí)現(xiàn)方案之后，接下來我們使用具體的代碼來演示一下 ThreadLocal 的使用，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * ThreadLocal 解決線程不安全問題
 */
public class SimpleDateFormatExample4 {
    // 創(chuàng)建 ThreadLocal 對(duì)象，并設(shè)置默認(rèn)值（new SimpleDateFormat）
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss"));

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 格式化時(shí)間
                    String result = threadLocal.get().format(date);
                    // 打印結(jié)果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉線程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

ThreadLocal和局部變量的區(qū)別

首先來說 ThreadLocal 不等于局部變量，這里的“局部變量”指的是像 2.1 示例代碼中的局部變量， ThreadLocal 和局部變量最大的區(qū)別在于：ThreadLocal 屬于線程的私有變量，如果使用的是線程池，那么 ThreadLocal 中的變量是可以重復(fù)使用的，而代碼級(jí)別的局部變量，每次執(zhí)行時(shí)都會(huì)創(chuàng)建新的局部變量，二者區(qū)別如下圖所示：

更多關(guān)于 ThreadLocal 的內(nèi)容，可以訪問磊哥前面的文章《ThreadLocal不好用？那是你沒用對(duì)！》。

⑤ 使用DateTimeFormatter

以上 4 種解決方案都是因?yàn)?SimpleDateFormat 是線程不安全的，所以我們需要加鎖或者使用 ThreadLocal 來處理，然而，JDK 8 之后我們就有了新的選擇，如果使用的是 JDK 8+ 版本，就可以直接使用 JDK 8 中新增的、安全的時(shí)間格式化工具類 DateTimeFormatter 來格式化時(shí)間了，接下來我們來具體實(shí)現(xiàn)一下。

使用 DateTimeFormatter 必須要配合 JDK 8 中新增的時(shí)間對(duì)象 LocalDateTime 來使用，因此在操作之前，我們可以先將 Date 對(duì)象轉(zhuǎn)換成 LocalDateTime，然后再通過 DateTimeFormatter 來格式化時(shí)間，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

import java.time.LocalDateTime;
import java.time.ZoneId;
import java.time.format.DateTimeFormatter;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;

/**
 * DateTimeFormatter 解決線程不安全問題
 */
public class SimpleDateFormatExample5 {
    // 創(chuàng)建 DateTimeFormatter 對(duì)象
    private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 創(chuàng)建線程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 執(zhí)行 10 次時(shí)間格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 線程池執(zhí)行任務(wù)
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 創(chuàng)建時(shí)間對(duì)象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 將 Date 轉(zhuǎn)換成 JDK 8 中的時(shí)間類型 LocalDateTime
                    LocalDateTime localDateTime =
                            LocalDateTime.ofInstant(date.toInstant(), ZoneId.systemDefault());
                    // 時(shí)間格式化
                    String result = dateTimeFormatter.format(localDateTime);
                    // 打印結(jié)果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任務(wù)執(zhí)行完之后關(guān)閉線程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

以上程序的執(zhí)行結(jié)果為：

3.線程不安全原因分析

要了解 SimpleDateFormat 為什么是線程不安全的？我們需要查看并分析 SimpleDateFormat 的源碼才行，那我們先從使用的方法 format 入手，源碼如下：

private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
                                FieldDelegate delegate) {
    // 注意此行代碼
    calendar.setTime(date);

    boolean useDateFormatSymbols = useDateFormatSymbols();

    for (int i = 0; i < compiledPattern.length; ) {
        int tag = compiledPattern[i] >>> 8;
        int count = compiledPattern[i++] & 0xff;
        if (count == 255) {
            count = compiledPattern[i++] << 16;
            count |= compiledPattern[i++];
        }

        switch (tag) {
            case TAG_QUOTE_ASCII_CHAR:
                toAppendTo.append((char)count);
                break;

            case TAG_QUOTE_CHARS:
                toAppendTo.append(compiledPattern, i, count);
                i += count;
                break;

            default:
                subFormat(tag, count, delegate, toAppendTo, useDateFormatSymbols);
                break;
        }
    }
    return toAppendTo;
}

也許是好運(yùn)使然，沒想到剛開始分析第一個(gè)方法就找到了線程不安全的問題所在。

從上述源碼可以看出，在執(zhí)行 SimpleDateFormat.format 方法時(shí)，會(huì)使用 calendar.setTime 方法將輸入的時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，那么我們想象一下這樣的場景：

線程 1 執(zhí)行了 calendar.setTime(date) 方法，將用戶輸入的時(shí)間轉(zhuǎn)換成了后面格式化時(shí)所需要的時(shí)間；
線程 1 暫停執(zhí)行，線程 2 得到 CPU 時(shí)間片開始執(zhí)行；
線程 2 執(zhí)行了 calendar.setTime(date) 方法，對(duì)時(shí)間進(jìn)行了修改；
線程 2 暫停執(zhí)行，線程 1 得出 CPU 時(shí)間片繼續(xù)執(zhí)行，因?yàn)榫€程 1 和線程 2 使用的是同一對(duì)象，而時(shí)間已經(jīng)被線程 2 修改了，所以此時(shí)當(dāng)線程 1 繼續(xù)執(zhí)行的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)線程安全的問題了。

正常的情況下，程序的執(zhí)行是這樣的：

非線程安全的執(zhí)行流程是這樣的：

在多線程執(zhí)行的情況下，線程 1 的 date1 和線程 2 的 date2，因?yàn)閳?zhí)行順序的問題，最終都被格式化成 date2 formatted，而非線程 1 date1 formatted 和線程 2 date2 formatted，這樣就會(huì)導(dǎo)致線程不安全的問題。

4.各方案優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

如果使用的是 JDK 8+ 版本，可以直接使用線程安全的 DateTimeFormatter 來進(jìn)行時(shí)間格式化，如果使用的 JDK 8 以下版本或者改造老的 SimpleDateFormat 代碼，可以考慮使用 synchronized 或 ThreadLocal 來解決線程不安全的問題。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)方案 1 局部變量的解決方案，每次執(zhí)行的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建新的對(duì)象，因此不推薦使用。synchronized 的實(shí)現(xiàn)比較簡單，而使用 ThreadLocal 可以避免加鎖排隊(duì)執(zhí)行的問題。