SimpleDateFormat线程不安全问题及ThreadLo

作者: LittleMagic | 来源:发表于2019-02-21 18:38 被阅读8次

SimpleDateFormat是JDK中长久以来自带的日期时间格式化类，但是它有线程安全性方面的问题，使用时要避免它带来的影响。

SimpleDateFormat是线程不安全的

写一个SimpleDateFormat在并发环境下简单的例子先。

public class SimpleDateFormatExample {
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池，最好直接new ThreadPoolExecutor，而不是用Executors工具类
        // ExecutorService threadPool = Executors.newCachedThreadPool();
        ExecutorService threadPool = new ThreadPoolExecutor(
            5, 50, 0L, TimeUnit.MILLISECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(100)
        );

        List<String> dates = Arrays.asList(
            "2019-02-21 15:47:01",
            "2018-03-22 16:46:02",
            "2017-04-23 17:45:03",
            "2016-05-24 18:44:04",
            "2015-06-25 19:43:05",
            "2014-07-26 20:42:06",
            "2013-08-27 21:41:07",
            "2012-09-28 22:40:08",
            "2011-10-29 23:39:09"
        );

        for (String date : dates) {
            threadPool.execute(() -> {
                try {
                    System.out.println(simpleDateFormat.parse(date));
                } catch (ParseException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            });
        }
    }
}

输出非常混乱，抛出大量NumberFormatException，以及得出错误的结果。

Exception in thread "pool-1-thread-2" 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 me.lmagics.SimpleDateFormatExample.lambda$main$0(SimpleDateFormatExample.java:42)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
Exception in thread "pool-1-thread-4" Exception in thread "pool-1-thread-3" java.lang.NumberFormatException: For input string: ".809E.809E22"
    at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:2043)
    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:1869)
    at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
    at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
    at me.lmagics.SimpleDateFormatExample.lambda$main$0(SimpleDateFormatExample.java:42)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
java.lang.NumberFormatException: For input string: ".809E.809E22"
    at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:2043)
    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:1869)
    at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1514)
Wed Mar 23 16:46:02 CST 1
Tue May 24 18:44:04 CST 2016
    at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:364)
Wed Mar 23 16:46:02 CST 1
    at me.lmagics.SimpleDateFormatExample.lambda$main$0(SimpleDateFormatExample.java:42)
Thu Feb 21 15:47:01 CST 2019
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
Thu Jun 25 19:43:05 CST 2015
Thu Oct 29 23:39:09 CST 2011
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

然后通过SimpleDateFormat的源码来分析它线程不安全的根本原因。
SimpleDateFormat是继承自DateFormat类，DateFormat类中维护了一个全局的Calendar变量。

    /**
     * The {@link Calendar} instance used for calculating the date-time fields
     * and the instant of time. This field is used for both formatting and
     * parsing.
     *
     * <p>Subclasses should initialize this field to a {@link Calendar}
     * appropriate for the {@link Locale} associated with this
     * <code>DateFormat</code>.
     * @serial
     */
    protected Calendar calendar;

从注释可以看出，这个Calendar对象既用于格式化也用于解析日期时间。再查看parse()方法接近最后的部分。

        Date parsedDate;
        try {
            parsedDate = calb.establish(calendar).getTime();
            // If the year value is ambiguous,
            // then the two-digit year == the default start year
            if (ambiguousYear[0]) {
                if (parsedDate.before(defaultCenturyStart)) {
                    parsedDate = calb.addYear(100).establish(calendar).getTime();
                }
            }
        }
        // An IllegalArgumentException will be thrown by Calendar.getTime()
        // if any fields are out of range, e.g., MONTH == 17.
        catch (IllegalArgumentException e) {
            ...
        }

        return parsedDate;

可见，最后的返回值是通过调用CalendarBuilder.establish()方法获得的，而它的入参正好就是前面的Calendar对象。

    Calendar establish(Calendar cal) {
        boolean weekDate = isSet(WEEK_YEAR)
                            && field[WEEK_YEAR] > field[YEAR];
        if (weekDate && !cal.isWeekDateSupported()) {
            // Use YEAR instead
            if (!isSet(YEAR)) {
                set(YEAR, field[MAX_FIELD + WEEK_YEAR]);
            }
            weekDate = false;
        }

        cal.clear();
        // Set the fields from the min stamp to the max stamp so that
        // the field resolution works in the Calendar.
        for (int stamp = MINIMUM_USER_STAMP; stamp < nextStamp; stamp++) {
            for (int index = 0; index <= maxFieldIndex; index++) {
                if (field[index] == stamp) {
                    cal.set(index, field[MAX_FIELD + index]);
                    break;
                }
            }
        }

        if (weekDate) {
            int weekOfYear = isSet(WEEK_OF_YEAR) ? field[MAX_FIELD + WEEK_OF_YEAR] : 1;
            int dayOfWeek = isSet(DAY_OF_WEEK) ?
                                field[MAX_FIELD + DAY_OF_WEEK] : cal.getFirstDayOfWeek();
            if (!isValidDayOfWeek(dayOfWeek) && cal.isLenient()) {
                if (dayOfWeek >= 8) {
                    dayOfWeek--;
                    weekOfYear += dayOfWeek / 7;
                    dayOfWeek = (dayOfWeek % 7) + 1;
                } else {
                    while (dayOfWeek <= 0) {
                        dayOfWeek += 7;
                        weekOfYear--;
                    }
                }
                dayOfWeek = toCalendarDayOfWeek(dayOfWeek);
            }
            cal.setWeekDate(field[MAX_FIELD + WEEK_YEAR], weekOfYear, dayOfWeek);
        }
        return cal;
    }

该方法中先后调用了cal.clear()与cal.set()，也就是先清除cal对象中设置的值，再重新设置新的值。由于Calendar内部并没有线程安全机制，并且这两个操作也都不是原子性的，所以当多个线程同时操作一个SimpleDateFormat时就会引起cal的值混乱。类似地，format()方法也存在同样的问题。

为什么用ThreadLocal能解决问题

ThreadLocal即线程本地变量。它用来为每个线程维护一个专属的变量副本，线程对自己的变量副本进行操作时，对其他线程的变量副本没有任何影响。由此可见，它特别适合解决并发情况下变量共享造成的线程安全性问题，前提是各个副本隔离后不影响业务运行。
以上面的SimpleDateFormat问题为例，ThreadLocal可以这样使用。

// 可以直接设置初始值
private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> simpleDateFormat = ThreadLocal.withInitial(() ->
    new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")
);
// 也可以调用set()方法
private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> simpleDateFormat = new ThreadLocal<>();
simpleDateFormat.set(new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
...
// 调用get()方法取得值
System.out.println(simpleDateFormat.get().parse(date));
// 移除
simpleDateFormat.remove();

那么ThreadLocal是采用了什么机制来实现变量副本隔离的呢？在Thread类内部，有如下的定义。

    /* ThreadLocal values pertaining to this thread. This map is maintained
     * by the ThreadLocal class. */
    ThreadLocal.ThreadLocalMap threadLocals = null;

可见每个线程都维护了一个叫ThreadLocalMap的东西，它是ThreadLocal中定义的一个静态内部类。其实现类似于HashMap，但没实现Map接口，数据结构和内部逻辑也有不同。ThreadLocalMap.Entry是这样定义的。

        static class Entry extends WeakReference<ThreadLocal<?>> {
            /** The value associated with this ThreadLocal. */
            Object value;

            Entry(ThreadLocal<?> k, Object v) {
                super(k);
                value = v;
            }
        }

该Entry的键值类型都是确定的。值就是变量的副本，键是对ThreadLocal对象的一个弱引用。由于线程并不能直接访问和存取ThreadLocalMap，只能藉由ThreadLocal进行，因此不同的线程之间的变量副本就实现了隔离。

上面的图来自阿里Java开发手册，清晰地示出了线程、ThreadLocal、ThreadLocalMap三者的引用关系，鼓掌。
另外，ThreadLocal还可能存在内存泄漏的问题，前人已经写过很好的分析文章，如https://www.jianshu.com/p/a1cd61fa22da，下面稍作总结。

回忆Java中的4种引用类型：强、软、弱、虚引用，其引用强度依次递减。其中弱引用只能存活到下一次Young GC发生之前。
ThreadLocalMap.Entry中的键就是弱引用，如果它被回收，会出现key为null但value仍然存在的情况（value是强引用，当然Entry也没有被回收），有内存泄漏风险。ThreadLocal的设计者已经考虑到了这种情况，调用get()/set()/remove()方法时，都会调用expungeStaleEntry()方法来删除这种key已经被回收了的Entry。这段代码很有意思，关键点添加了一点注释。

        private int expungeStaleEntry(int staleSlot) {
            Entry[] tab = table;
            int len = tab.length;

            // expunge entry at staleSlot
            // 将值和Entry都设成null，这样在下一次GC根搜索时均不可达，就被回收了
            tab[staleSlot].value = null;
            tab[staleSlot] = null;
            size--;

            // Rehash until we encounter null
            // 还没完，接下来会继续找key为null的其他Entry，一起删掉
            Entry e;
            int i;
            for (i = nextIndex(staleSlot, len);
                 (e = tab[i]) != null;
                 i = nextIndex(i, len)) {
                ThreadLocal<?> k = e.get();
                if (k == null) {
                    // 找到了，将值和Entry都设成null
                    e.value = null;
                    tab[i] = null;
                    size--;
                } else {
                    int h = k.threadLocalHashCode & (len - 1);
                    if (h != i) {
                        tab[i] = null;

                        // Unlike Knuth 6.4 Algorithm R, we must scan until
                        // null because multiple entries could have been stale.
                        // nextIndex()方法就是(i + 1)%len，ThreadLocalMap是采用线性探测开放定址解决hash冲突的
                        // 这比HashMap的链地址法（数组+链表）简单得多
                        while (tab[h] != null)
                            h = nextIndex(h, len);
                        tab[h] = e;
                    }
                }
            }
            return i;
        }

但是就算这样设计了，也不能完全防止ThreadLocal内存泄漏，因为它可以是static的，也有可能在分配了变量副本之后没调用任何方法。另外，由于ThreadLocalMap的生命周期和线程一样长，因此不管Entry的键是对ThreadLocal的强引用还是弱引用，都有可能出现ThreadLocal被回收变成null的情况。
所以，完全避免内存泄漏的唯一手段就是在ThreadLocal用完后，调用remove()方法。

SimpleDateFormat线程不安全问题及ThreadLo

SimpleDateFormat是线程不安全的

为什么用ThreadLocal能解决问题

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