Java三大格式化类的线程安全问题以及ThreadLocal的使用

线程安全问题

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java.text中的三大格式化类:

1、NumberFormat

2、MessageFormat

3、DateFormat（SimpleDateFormat）

除了NumberFormat外，其他两个都不是线程安全的。

NumberFormat中使用的属性都是不变的，而SimpleDateFormat等却使用了可变但没有同步的属性，所以在多线程访问的条件下会产生线程安全问题，即格式不正确的问题。

假设我们要提供一个供并发方法的格式化工具方法，需要提供线程安全和高性能，如何做呢？

不恰当的使用

1、Stack局部变量方式，如

 public static String format(Date date) {

        SimpleDateFormat formater = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

        return formater.format(date);

}

这样在高并发方法下是线程安全的，因为format是stack上分配的变量，不会和其他线程共享，然后不足就是每一次执行格式化，都需要new一个SimpleDateFormat，这样在高并发上，内存消耗不容忽视

2、类上静态常量

private static final SimpleDateFormat formater = new SimpleDateFormat();

......

public static String format(Date date) {

        return formater.format(date);

 }

在单线程测试下，格式化1000万记录，第一种方式花费17秒多，而第二种方式仅为7秒多。但在多线程的条件下，这样一来就线程不安全了，怎么办呢？首先想到的时候synchronized，如下所示：

public static synchronized String format(Date date) {

        //SimpleDateFormat formater = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

        return formater.format(date);

}

但这样处理的话，是线程安全了，但使所有并发访问变成了串行化访问，而一个简单的格式化类，用脚趾想也应该是无状态的，支持高性能访问。

正确、高效使用

综合考虑上面的两种情况，比较完善的实现应该具备以下特征：

1. 不能每一次格式化都new SimpleDateFormat，但也不能所有线程共用一个SimpleDateFormat实例
2. 格式化方法不能增加synchronized限制，增加了synchronized必然降低吞吐量

因为 SimpleDateFormat是mutable（可变）的并且共享在多个线程，为了安全访问，必然要用同步（synchronization），这样看来上面两个特征是互相矛盾，不竟然。SimpleDateFormat是mutable，这个除了改写SimpleDateFormat外，如果还想用SimpleDateFormat的话是没法改变的，那现在既然因为SimpleDateFormat共享引起的，那我不共享可不可以？可以。

下面是并发技术领域技术泰斗、JCP专家、JUC（java.util.concurrent）实现者Doug Lea经典书籍《Java concurrency in practice》中的一段话（3.3 Thread Confinement）：

Accessing shared, mutable data requires using synchronization; one way to avoid this requirement is to not share. If data is only accessed from a single thread, no synchronization is needed. This technique, thread confinement, is one of the simplest ways to achieve thread safety. When an object is confined to a thread, such usage is automatically thread-safe even if the confined object itself is not

通过上面的描述，我们得知，虽然SimpleDateFormat不是线程安全的，但通过把对SimpleDateFormat的访问局限在单个线程，对SimpleDateFormat的使用自然也就线程安全，这种技术叫Thead Configment，Java提供的实现是ThreadLocal。

改进

改进的方法就是一个线程一个SimpleDateFormat实例，这样每一个线程访问format都是串行化，对SimpleDateFormat的访问自然就线程安全了。同时因应用的所能支持的线程数是有限的，如一般都低于1万（按照实践经验准则支持1万线程高效运行，而不是context switch的话，CPU数目少说也的50核吧），这样SimpleDateFormat的实例也不会太多，对内存的消耗也可以忽略。

最后实现方式如下:

 private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> formaterHolder

            = new ThreadLocal<SimpleDateFormat>() {

                public SimpleDateFormat initialValue() {

                    return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");

                }

            };

public static String format(Date date) {

        return formaterHolder.get().format(date);

}

formaterHolder是formater的各个线程的持有者，不同的线程调用formaterHolder.get()获的自己线程的formater。各个线程的formater通过initialValue在线程第一次使用时初始化

总结

正确写出一个程序比较难，而正确写出一个并发程序更难，而且还不是同一数量级的难度。写出一个好的高并发程序，掌握一门语言仅是一个必要条件，而理解和领会并发编程艺术才是充分条件。