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：

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

public class SimpleDateFormatExample {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 执行时间格式化并打印结果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
    }
}

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 将SimpleDateFormat变为局部变量

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：

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) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建 SimpleDateFormat 对象
                    SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 执行时间格式化并打印结果
                    System.out.println(simpleDateFormat.format(date));
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

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：

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

public class SimpleDateFormatExample2 {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定义格式化的结果
                    String result = null;
                    synchronized (simpleDateFormat) {
                        // 时间格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    }
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

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：

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 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample3 {
    // 创建 SimpleDateFormat 对象
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 创建 Lock 锁
        Lock lock = new ReentrantLock();
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 定义格式化的结果
                    String result = null;
                    // 加锁
                    lock.lock();
                    try {
                        // 时间格式化
                        result = simpleDateFormat.format(date);
                    } finally {
                        // 释放锁
                        lock.unlock();
                    }
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

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：

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

/**
 * ThreadLocal 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample4 {
    // 创建 ThreadLocal 对象，并设置默认值（new SimpleDateFormat）
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> threadLocal =
            ThreadLocal.withInitial(() -> new SimpleDateFormat("mm:ss"));

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 格式化时间
                    String result = threadLocal.get().format(date);
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

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：

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 解决线程不安全问题
 */
public class SimpleDateFormatExample5 {
    // 创建 DateTimeFormatter 对象
    private static DateTimeFormatter dateTimeFormatter = DateTimeFormatter.ofPattern("mm:ss");

    public static void main(String[] args) {
        // 创建线程池
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(10);
        // 执行 10 次时间格式化
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            int finalI = i;
            // 线程池执行任务
            threadPool.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    // 创建时间对象
                    Date date = new Date(finalI * 1000);
                    // 将 Date 转换成 JDK 8 中的时间类型 LocalDateTime
                    LocalDateTime localDateTime =
                            LocalDateTime.ofInstant(date.toInstant(), ZoneId.systemDefault());
                    // 时间格式化
                    String result = dateTimeFormatter.format(localDateTime);
                    // 打印结果
                    System.out.println(result);
                }
            });
        }
        // 任务执行完之后关闭线程池
        threadPool.shutdown();
    }
}

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：

private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
                                FieldDelegate delegate) {
    // 注意此行代码
    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：

1. 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；
2. 线程 1 暂停执行，线程 2 得到 CPU 时间片开始执行；
3. 线程 2 执行了 calendar.setTime(date) 方法，对时间进行了修改；
4. 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。