SimpleDateFormat线程不安全的5种解决方案！

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1.什么是线程不安全?

线程不安全也叫非线程安全，是指多线程执行中，程序的执行结果和预期的结果不符的情况就叫着线程不安全。

线程不安全的代码

SimpleDateFormat 就是一个典型的线程不安全事例，接下来我们动手来实现一下。首先我们先创建 10 个线程来格式化时间，时间格式化每次传递的待格式化时间都是不同的，所以程序如果正确执行将会打印 10 个不同的值，接下来我们来看具体的代码实现：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.text.SimpleDateFormat; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.util.Date; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.concurrent.Executors; 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. public class SimpleDateFormatExample { 
    7.   
  
  
  
  7.     // 创建 SimpleDateFormat 对象 
    8.   
  
  
  
  8.     private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss"); 
    9.   
  
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  
  10.     public static void main(String[] args) { 
    11.   
  
  
  
  11.         // 创建线程池 
    12.   
  
  
  
  12.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    13.   
  
  
  
  13.         // 执行 10 次时间格式化 
    14.   
  
  
  
  14.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    15.   
  
  
  
  15.             int finalI = i; 
    16.   
  
  
  
  16.             // 线程池执行任务 
    17.   
  
  
  
  17.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    18.   
  
  
  
  18.                 @Override 
    19.   
  
  
  
  19.                 public void run() { 
    20.   
  
  
  
  20.                     // 创建时间对象 
    21.   
  
  
  
  21.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    22.   
  
  
  
  22.                     // 执行时间格式化并打印结果 
    23.   
  
  
  
  23.                     System.out.println(simpleDateFormat.format(date)); 
    24.   
  
  
  
  24.                 } 
    25.   
  
  
  
  25.             }); 
    26.   
  
  
  
  26.         } 
    27.   
  
  
  
  27.     } 
    28.   
  
  
  
  28. } 
    29.

我们预期的正确结果是这样的(10 次打印的值都不同)：

然而，以上程序的运行结果却是这样的：

从上述结果可以看出，当在多线程中使用 SimpleDateFormat 进行时间格式化是线程不安全的。

2.解决方案

SimpleDateFormat 线程不安全的解决方案总共包含以下 5 种：

  1. 将 SimpleDateFormat 定义为局部变量;
  2. 使用 synchronized 加锁执行;
  3. 使用 Lock 加锁执行(和解决方案 2 类似);
  4. 使用 ThreadLocal;
  5. 使用 JDK 8 中提供的 DateTimeFormat。

接下来我们分别来看每种解决方案的具体实现。

① SimpleDateFormat改为局部变量

将 SimpleDateFormat 定义为局部变量时，因为每个线程都是独享 SimpleDateFormat 对象的，相当于将多线程程序变成“单线程”程序了，所以不会有线程不安全的问题，具体实现代码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.text.SimpleDateFormat; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.util.Date; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.concurrent.Executors; 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. public class SimpleDateFormatExample { 
    7.   
  
  
  
  7.     public static void main(String[] args) { 
    8.   
  
  
  
  8.         // 创建线程池 
    9.   
  
  
  
  9.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    10.   
  
  
  
  10.         // 执行 10 次时间格式化 
    11.   
  
  
  
  11.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    12.   
  
  
  
  12.             int finalI = i; 
    13.   
  
  
  
  13.             // 线程池执行任务 
    14.   
  
  
  
  14.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    15.   
  
  
  
  15.                 @Override 
    16.   
  
  
  
  16.                 public void run() { 
    17.   
  
  
  
  17.                     // 创建 SimpleDateFormat 对象 
    18.   
  
  
  
  18.                     SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss"); 
    19.   
  
  
  
  19.                     // 创建时间对象 
    20.   
  
  
  
  20.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    21.   
  
  
  
  21.                     // 执行时间格式化并打印结果 
    22.   
  
  
  
  22.                     System.out.println(simpleDateFormat.format(date)); 
    23.   
  
  
  
  23.                 } 
    24.   
  
  
  
  24.             }); 
    25.   
  
  
  
  25.         } 
    26.   
  
  
  
  26.         // 任务执行完之后关闭线程池 
    27.   
  
  
  
  27.         threadPool.shutdown(); 
    28.   
  
  
  
  28.     } 
    29.   
  
  
  
  29. } 
    30.

以上程序的执行结果为：

当打印的结果都不相同时，表示程序的执行是正确的，从上述结果可以看出，将 SimpleDateFormat 定义为局部变量之后，就可以成功的解决线程不安全问题了。

② 使用synchronized加锁

锁是解决线程不安全问题最常用的手段，接下来我们先用 synchronized 来加锁进行时间格式化，实现代码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.text.SimpleDateFormat; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.util.Date; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.concurrent.Executors; 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. public class SimpleDateFormatExample2 { 
    7.   
  
  
  
  7.     // 创建 SimpleDateFormat 对象 
    8.   
  
  
  
  8.     private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss"); 
    9.   
  
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  
  10.     public static void main(String[] args) { 
    11.   
  
  
  
  11.         // 创建线程池 
    12.   
  
  
  
  12.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    13.   
  
  
  
  13.         // 执行 10 次时间格式化 
    14.   
  
  
  
  14.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    15.   
  
  
  
  15.             int finalI = i; 
    16.   
  
  
  
  16.             // 线程池执行任务 
    17.   
  
  
  
  17.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    18.   
  
  
  
  18.                 @Override 
    19.   
  
  
  
  19.                 public void run() { 
    20.   
  
  
  
  20.                     // 创建时间对象 
    21.   
  
  
  
  21.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    22.   
  
  
  
  22.                     // 定义格式化的结果 
    23.   
  
  
  
  23.                     String result = null; 
    24.   
  
  
  
  24.                     synchronized (simpleDateFormat) { 
    25.   
  
  
  
  25.                         // 时间格式化 
    26.   
  
  
  
  26.                         result = simpleDateFormat.format(date); 
    27.   
  
  
  
  27.                     } 
    28.   
  
  
  
  28.                     // 打印结果 
    29.   
  
  
  
  29.                     System.out.println(result); 
    30.   
  
  
  
  30.                 } 
    31.   
  
  
  
  31.             }); 
    32.   
  
  
  
  32.         } 
    33.   
  
  
  
  33.         // 任务执行完之后关闭线程池 
    34.   
  
  
  
  34.         threadPool.shutdown(); 
    35.   
  
  
  
  35.     } 
    36.   
  
  
  
  36. } 
    37.

以上程序的执行结果为：

③ 使用Lock加锁

在 Java 语言中，锁的常用实现方式有两种，除了 synchronized 之外，还可以使用手动锁 Lock，接下来我们使用 Lock 来对线程不安全的代码进行改造，实现代码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.text.SimpleDateFormat; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.util.Date; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.concurrent.Executors; 
    5.   
  
  
  
  5. import java.util.concurrent.locks.Lock; 
    6.   
  
  
  
  6. import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; 
    7.   
  
  
  
  7.  
    8.   
  
  
  
  8. /** 
    9.   
  
  
  
  9.  * Lock 解决线程不安全问题 
    10.   
  
  
  
  10.  */ 
    11.   
  
  
  
  11. public class SimpleDateFormatExample3 { 
    12.   
  
  
  
  12.     // 创建 SimpleDateFormat 对象 
    13.   
  
  
  
  13.     private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss"); 
    14.   
  
  
  
  14.  
    15.   
  
  
  
  15.     public static void main(String[] args) { 
    16.   
  
  
  
  16.         // 创建线程池 
    17.   
  
  
  
  17.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    18.   
  
  
  
  18.         // 创建 Lock 锁 
    19.   
  
  
  
  19.         Lock lock = new ReentrantLock(); 
    20.   
  
  
  
  20.         // 执行 10 次时间格式化 
    21.   
  
  
  
  21.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    22.   
  
  
  
  22.             int finalI = i; 
    23.   
  
  
  
  23.             // 线程池执行任务 
    24.   
  
  
  
  24.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    25.   
  
  
  
  25.                 @Override 
    26.   
  
  
  
  26.                 public void run() { 
    27.   
  
  
  
  27.                     // 创建时间对象 
    28.   
  
  
  
  28.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    29.   
  
  
  
  29.                     // 定义格式化的结果 
    30.   
  
  
  
  30.                     String result = null; 
    31.   
  
  
  
  31.                     // 加锁 
    32.   
  
  
  
  32.                     lock.lock(); 
    33.   
  
  
  
  33.                     try { 
    34.   
  
  
  
  34.                         // 时间格式化 
    35.   
  
  
  
  35.                         result = simpleDateFormat.format(date); 
    36.   
  
  
  
  36.                     } finally { 
    37.   
  
  
  
  37.                         // 释放锁 
    38.   
  
  
  
  38.                         lock.unlock(); 
    39.   
  
  
  
  39.                     } 
    40.   
  
  
  
  40.                     // 打印结果 
    41.   
  
  
  
  41.                     System.out.println(result); 
    42.   
  
  
  
  42.                 } 
    43.   
  
  
  
  43.             }); 
    44.   
  
  
  
  44.         } 
    45.   
  
  
  
  45.         // 任务执行完之后关闭线程池 
    46.   
  
  
  
  46.         threadPool.shutdown(); 
    47.   
  
  
  
  47.     } 
    48.   
  
  
  
  48. } 
    49.

以上程序的执行结果为：

从上述代码可以看出，手动锁的写法相比于 synchronized 要繁琐一些。

④ 使用ThreadLocal

加锁方案虽然可以正确的解决线程不安全的问题，但同时也引入了新的问题，加锁会让程序进入排队执行的流程，从而一定程度的降低了程序的执行效率，如下图所示：

那有没有一种方案既能解决线程不安全的问题，同时还可以避免排队执行呢?

答案是有的，可以考虑使用 ThreadLocal。ThreadLocal 翻译为中文是线程本地变量的意思，字如其人 ThreadLocal 就是用来创建线程的私有(本地)变量的，每个线程拥有自己的私有对象，这样就可以避免线程不安全的问题了，实现如下：

知道了实现方案之后，接下来我们使用具体的代码来演示一下 ThreadLocal 的使用，实现代码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.text.SimpleDateFormat; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.util.Date; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.concurrent.Executors; 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6. /** 
    7.   
  
  
  
  7.  * ThreadLocal 解决线程不安全问题 
    8.   
  
  
  
  8.  */ 
    9.   
  
  
  
  9. public class SimpleDateFormatExample4 { 
    10.   
  
  
  
  10.     // 创建 ThreadLocal 对象，并设置默认值（new SimpleDateFormat） 
    11.   
  
  
  
  11.     private static ThreadLocal threadLocal = 
    12.   
  
  
  
  12.             ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss")); 
    13.   
  
  
  
  13.  
    14.   
  
  
  
  14.     public static void main(String[] args) { 
    15.   
  
  
  
  15.         // 创建线程池 
    16.   
  
  
  
  16.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    17.   
  
  
  
  17.         // 执行 10 次时间格式化 
    18.   
  
  
  
  18.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    19.   
  
  
  
  19.             int finalI = i; 
    20.   
  
  
  
  20.             // 线程池执行任务 
    21.   
  
  
  
  21.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    22.   
  
  
  
  22.                 @Override 
    23.   
  
  
  
  23.                 public void run() { 
    24.   
  
  
  
  24.                     // 创建时间对象 
    25.   
  
  
  
  25.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    26.   
  
  
  
  26.                     // 格式化时间 
    27.   
  
  
  
  27.                     String result = threadLocal.get().format(date); 
    28.   
  
  
  
  28.                     // 打印结果 
    29.   
  
  
  
  29.                     System.out.println(result); 
    30.   
  
  
  
  30.                 } 
    31.   
  
  
  
  31.             }); 
    32.   
  
  
  
  32.         } 
    33.   
  
  
  
  33.         // 任务执行完之后关闭线程池 
    34.   
  
  
  
  34.         threadPool.shutdown(); 
    35.   
  
  
  
  35.     } 
    36.   
  
  
  
  36. } 
    37.

以上程序的执行结果为：

ThreadLocal和局部变量的区别

首先来说 ThreadLocal 不等于局部变量，这里的“局部变量”指的是像 2.1 示例代码中的局部变量， ThreadLocal 和局部变量最大的区别在于：ThreadLocal 属于线程的私有变量，如果使用的是线程池，那么 ThreadLocal 中的变量是可以重复使用的，而代码级别的局部变量，每次执行时都会创建新的局部变量，二者区别如下图所示：

更多关于 ThreadLocal 的内容，可以访问磊哥前面的文章《ThreadLocal不好用?那是你没用对!》。

⑤ 使用DateTimeFormatter

以上 4 种解决方案都是因为 SimpleDateFormat 是线程不安全的，所以我们需要加锁或者使用 ThreadLocal 来处理，然而，JDK 8 之后我们就有了新的选择，如果使用的是 JDK 8+ 版本，就可以直接使用 JDK 8 中新增的、安全的时间格式化工具类 DateTimeFormatter 来格式化时间了，接下来我们来具体实现一下。

使用 DateTimeFormatter 必须要配合 JDK 8 中新增的时间对象 LocalDateTime 来使用，因此在操作之前，我们可以先将 Date 对象转换成 LocalDateTime，然后再通过 DateTimeFormatter 来格式化时间，具体实现代码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. import java.time.LocalDateTime; 
    2.   
  
  
  
  2. import java.time.ZoneId; 
    3.   
  
  
  
  3. import java.time.format.DateTimeFormatter; 
    4.   
  
  
  
  4. import java.util.Date; 
    5.   
  
  
  
  5. import java.util.concurrent.ExecutorService; 
    6.   
  
  
  
  6. import java.util.concurrent.Executors; 
    7.   
  
  
  
  7.  
    8.   
  
  
  
  8. /** 
    9.   
  
  
  
  9.  * DateTimeFormatter 解决线程不安全问题 
    10.   
  
  
  
  10.  */ 
    11.   
  
  
  
  11. public class SimpleDateFormatExample5 { 
    12.   
  
  
  
  12.     // 创建 DateTimeFormatter 对象 
    13.   
  
  
  
  13.     private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("mm:ss"); 
    14.   
  
  
  
  14.  
    15.   
  
  
  
  15.     public static void main(String[] args) { 
    16.   
  
  
  
  16.         // 创建线程池 
    17.   
  
  
  
  17.         ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10); 
    18.   
  
  
  
  18.         // 执行 10 次时间格式化 
    19.   
  
  
  
  19.         for (int i = 0; i < 10; i++) { 
    20.   
  
  
  
  20.             int finalI = i; 
    21.   
  
  
  
  21.             // 线程池执行任务 
    22.   
  
  
  
  22.             threadPool.execute(new Runnable() { 
    23.   
  
  
  
  23.                 @Override 
    24.   
  
  
  
  24.                 public void run() { 
    25.   
  
  
  
  25.                     // 创建时间对象 
    26.   
  
  
  
  26.                     Date date = new Date(finalI * 1000); 
    27.   
  
  
  
  27.                     // 将 Date 转换成 JDK 8 中的时间类型 LocalDateTime 
    28.   
  
  
  
  28.                     LocalDateTime localDateTime = 
    29.   
  
  
  
  29.                             LocalDateTime.ofInstant(date.toInstant(), ZoneId.systemDefault()); 
    30.   
  
  
  
  30.                     // 时间格式化 
    31.   
  
  
  
  31.                     String result = dateTimeFormatter.format(localDateTime); 
    32.   
  
  
  
  32.                     // 打印结果 
    33.   
  
  
  
  33.                     System.out.println(result); 
    34.   
  
  
  
  34.                 } 
    35.   
  
  
  
  35.             }); 
    36.   
  
  
  
  36.         } 
    37.   
  
  
  
  37.         // 任务执行完之后关闭线程池 
    38.   
  
  
  
  38.         threadPool.shutdown(); 
    39.   
  
  
  
  39.     } 
    40.   
  
  
  
  40. } 
    41.

以上程序的执行结果为：

3.线程不安全原因分析

要了解 SimpleDateFormat 为什么是线程不安全的?我们需要查看并分析 SimpleDateFormat 的源码才行，那我们先从使用的方法 format 入手，源码如下：

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo, 
    2.   
  
  
  
  2.                                 FieldDelegate delegate) { 
    3.   
  
  
  
  3.     // 注意此行代码 
    4.   
  
  
  
  4.     calendar.setTime(date); 
    5.   
  
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  
  6.     boolean useDateFormatSymbols = useDateFormatSymbols(); 
    7.   
  
  
  
  7.  
    8.   
  
  
  
  8.     for (int i = 0; i < compiledPattern.length; ) { 
    9.   
  
  
  
  9.         int tag = compiledPattern[i] >>> 8; 
    10.   
  
  
  
  10.         int count = compiledPattern[i++] & 0xff; 
    11.   
  
  
  
  11.         if (count == 255) { 
    12.   
  
  
  
  12.             count = compiledPattern[i++] << 16; 
    13.   
  
  
  
  13.             count |= compiledPattern[i++]; 
    14.   
  
  
  
  14.         } 
    15.   
  
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  
  16.         switch (tag) { 
    17.   
  
  
  
  17.             case TAG_QUOTE_ASCII_CHAR: 
    18.   
  
  
  
  18.                 toAppendTo.append((char)count); 
    19.   
  
  
  
  19.                 break; 
    20.   
  
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  
  21.             case TAG_QUOTE_CHARS: 
    22.   
  
  
  
  22.                 toAppendTo.append(compiledPattern, i, count); 
    23.   
  
  
  
  23.                 i += count; 
    24.   
  
  
  
  24.                 break; 
    25.   
  
  
  
  25.  
    26.   
  
  
  
  26.             default: 
    27.   
  
  
  
  27.                 subFormat(tag, count, delegate, toAppendTo, useDateFormatSymbols); 
    28.   
  
  
  
  28.                 break; 
    29.   
  
  
  
  29.         } 
    30.   
  
  
  
  30.     } 
    31.   
  
  
  
  31.     return toAppendTo; 
    32.   
  
  
  
  32. } 
    33.

也许是好运使然，没想到刚开始分析第一个方法就找到了线程不安全的问题所在。

从上述源码可以看出，在执行 SimpleDateFormat.format 方法时，会使用 calendar.setTime 方法将输入的时间进行转换，那么我们想象一下这样的场景：

  • 线程 1 执行了 calendar.setTime(date) 方法，将用户输入的时间转换成了后面格式化时所需要的时间;
  • 线程 1 暂停执行，线程 2 得到 CPU 时间片开始执行;
  • 线程 2 执行了 calendar.setTime(date) 方法，对时间进行了修改;
  • 线程 2 暂停执行，线程 1 得出 CPU 时间片继续执行，因为线程 1 和线程 2 使用的是同一对象，而时间已经被线程 2 修改了，所以此时当线程 1 继续执行的时候就会出现线程安全的问题了。

正常的情况下，程序的执行是这样的：

非线程安全的执行流程是这样的：

在多线程执行的情况下，线程 1 的 date1 和线程 2 的 date2，因为执行顺序的问题，最终都被格式化成 date2 formatted，而非线程 1 date1 formatted 和线程 2 date2 formatted，这样就会导致线程不安全的问题。

4.各方案优缺点总结

如果使用的是 JDK 8+ 版本，可以直接使用线程安全的 DateTimeFormatter 来进行时间格式化，如果使用的 JDK 8 以下版本或者改造老的 SimpleDateFormat 代码，可以考虑使用 synchronized 或 ThreadLocal 来解决线程不安全的问题。因为实现方案 1 局部变量的解决方案，每次执行的时候都会创建新的对象，因此不推荐使用。synchronized 的实现比较简单，而使用 ThreadLocal 可以避免加锁排队执行的问题。

名称栏目：SimpleDateFormat线程不安全的5种解决方案！
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