由NumberFormatException谈DateFormat和SimpleDateFormat 类线程安全

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SHQ5785 发表于 2022/10/02 11:34:41 2022/10/02
【摘要】 前言      前文讲到在项目开发过程中，忽然遇到一个问题，数据库中的存放的时间原本是2018.03.21 08:08:08；后来存入的数据变为了2018.03.21 08:08:08.08。结果从数据库中取数进行处理时，报错如下：      在排查问题过程中，发现该时间是从工作流转存过来的。下面主要谈谈在Java中如何安全做到SimpleDateFormat时间格式化。      想必大...

前言

      前文讲到在项目开发过程中，忽然遇到一个问题，数据库中的存放的时间原本是2018.03.21 08:08:08；后来存入的数据变为了2018.03.21 08:08:08.08。结果从数据库中取数进行处理时，报错如下：
这里写图片描述
      在排查问题过程中，发现该时间是从工作流转存过来的。下面主要谈谈在Java中如何安全做到SimpleDateFormat时间格式化。
      想必大家对SimpleDateFormat并不陌生。SimpleDateFormat 是 Java 中一个非常常用的类，该类用来对日期字符串进行解析和格式化输出，但如果使用不小心会导致非常微妙和难以调试的问题，因为DateFormat和SimpleDateFormat 类都不是线程安全的，在多线程环境下调用format()和parse() 方法应该使用同步代码来避免线程不安全问题。下面我们通过一个具体的场景来一步步的深入学习和理解SimpleDateFormat类。

一.引子

      在程序中我们应当尽量少的创建SimpleDateFormat实例，因为创建这么一个实例需要耗费很大的代价。在一个读取数据库数据然后导出到excel文件的例子当中，每次处理一个时间信息的时候，就需要创建一个SimpleDateFormat实例对象，然后再丢弃这个对象。大量的对象就这样被创建出来，占用大量的内存和 jvm空间。代码如下：

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class DateUtil {
    
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        return sdf.format(date);
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{
        SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        return sdf.parse(strDate);
    }
}

      你也许会说，OK，那我就创建一个静态的simpleDateFormat实例，然后放到一个DateUtil类（如下）中，在使用时直接使用这个实例进行操作，这样问题就解决了。改进后的代码如下：

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class DateUtil {
private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd 
HH:mm:ss");
    
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
        return sdf.format(date);
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{

        return sdf.parse(strDate);
    }
}

      当然，这个方法的确很不错，在大部分的时间里面都会工作得很好。但当你在生产环境中使用一段时间之后，你就会发现这么一个事实：它不是线程安全的。在正常的测试情况之下，都没有问题，但一旦在生产环境中一定负载情况下时，这个问题就出来了。他会出现各种不同的情况，比如转化的时间不正确，比如报错，比如线程被挂死等等。我们看下面的测试用例，用事实说话：

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class DateUtil {
    
private static final SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd 
HH:mm:ss");
    
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
        return sdf.format(date);
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{

        return sdf.parse(strDate);
    }
}

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.util.Date;

public class DateUtilTest {
    
    public static class TestSimpleDateFormatThreadSafe extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            while(true) {
                try {
                    this.join(2000);
                } catch (InterruptedException e1) {
                    e1.printStackTrace();
                }
                try {
                    System.out.println(this.getName()+":"+DateUtil.parse("2013-05-24 06:02:20"));
                } catch (ParseException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }    
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        for(int i = 0; i < 3; i++){
            new TestSimpleDateFormatThreadSafe().start();
        }  
    }
}

      执行输出如下：

Exception in thread "Thread-1" java.lang.NumberFormatException: multiple points
    at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1082)
    at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:510)
    at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:151)
    at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:1302)
    at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1589)
    at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1311)
    at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:335)
    at com.peidasoft.orm.dateformat.DateNoStaticUtil.parse(DateNoStaticUtil.java:17)
    at com.peidasoft.orm.dateformat.DateUtilTest$TestSimpleDateFormatThreadSafe.run(DateUtilTest.java:20)
Exception in thread "Thread-0" java.lang.NumberFormatException: multiple points
    at sun.misc.FloatingDecimal.readJavaFormatString(FloatingDecimal.java:1082)
    at java.lang.Double.parseDouble(Double.java:510)
    at java.text.DigitList.getDouble(DigitList.java:151)
    at java.text.DecimalFormat.parse(DecimalFormat.java:1302)
    at java.text.SimpleDateFormat.subParse(SimpleDateFormat.java:1589)
    at java.text.SimpleDateFormat.parse(SimpleDateFormat.java:1311)
    at java.text.DateFormat.parse(DateFormat.java:335)
    at com.peidasoft.orm.dateformat.DateNoStaticUtil.parse(DateNoStaticUtil.java:17)
    at com.peidasoft.orm.dateformat.DateUtilTest$TestSimpleDateFormatThreadSafe.run(DateUtilTest.java:20)
Thread-2:Mon May 24 06:02:20 CST 2021
Thread-2:Fri May 24 06:02:20 CST 2013
Thread-2:Fri May 24 06:02:20 CST 2013
Thread-2:Fri May 24 06:02:20 CST 2013

      说明：Thread-1和Thread-0报java.lang.NumberFormatException: multiple points错误，直接挂死，没起来；Thread-2 虽然没有挂死，但输出的时间是有错误的，比如我们输入的时间是：2013-05-24 06:02:20 ，当会输出：Mon May 24 06:02:20 CST 2021 这样的灵异事件。

二.问题分析

      作为一个专业程序员，我们当然都知道，相比于共享一个变量的开销要比每次创建一个新变量要小很多。上面优化过的静态SimpleDateFormat，之所在并发情况下回出现各种灵异错误，是因为SimpleDateFormat和DateFormat类不是线程安全的。我们之所以忽视线程安全的问题，是因为从SimpleDateFormat和DateFormat类提供给我们的接口上来看，实在让人看不出它与线程安全有何相干。只是在JDK文档的最下面有如下说明：

  • SimpleDateFormat中的日期格式不是同步的。推荐（建议）为每个线程创建独立的格式实例。如果多个线程同时访问一个格式，则它必须保持外部同步。

      JDK原始文档如下：

  • Synchronization：Date formats are not synchronized. It is
    recommended to create separate format instances for each thread. 　
    If multiple threads access a format concurrently, it must be
    synchronized externally.

      下面我们通过看JDK源码来看看为什么SimpleDateFormat和DateFormat类不是线程安全的真正原因：
      SimpleDateFormat继承了DateFormat,在DateFormat中定义了一个protected属性的 Calendar类的对象：calendar。只是因为Calendar类的概念复杂，牵扯到时区与本地化等等，在jdk实现中使用了成员变量来传递参数，这就造成在多线程的时候会出现错误。
      在format方法里，有这样一段代码：

private StringBuffer format(Date date, StringBuffer toAppendTo,
        FieldDelegate delegate) {
        // Convert input date to time field list
        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;
    }

      calendar.setTime(date)这条语句改变了calendar，稍后，calendar还会用到（在subFormat方法里），而这就是引发问题的根源。想象一下，在一个多线程环境下，有两个线程持有了同一个SimpleDateFormat的实例，分别调用format方法：

  1. 线程1调用format方法，改变了calendar这个字段。中断来了。
  2. 线程2开始执行，它也改变了calendar。又中断了。
  3. 线程1回来了，此时，calendar已然不是它所设的值，而是走上了线程2设计的道路。如果多个线程同时争抢calendar对象，则会出现各种问题，时间不对，线程挂死等等。

      分析一下format的实现，我们不难发现，用到成员变量calendar，唯一的好处，就是在调用subFormat时，少了一个参数，却带来了这许多的问题。其实，只要在这里用一个局部变量，一路传递下去，所有问题都将迎刃而解。
      这个问题背后隐藏着一个更为重要的问题–无状态：无状态方法的好处之一，就是它在各种环境下，都可以安全的调用。衡量一个方法是否是有状态的，就看它是否改动了其它的东西，比如全局变量，比如实例的字段。format方法在运行过程中改动了SimpleDateFormat的calendar字段，所以，它是有状态的。
      这也同时提醒我们在开发和设计系统的时候注意以下三点:

  • 1.自己写公用类的时候，要对多线程调用情况下的后果在注释里进行明确说明；
  • 2.对线程环境下，对每一个共享的可变变量都要注意其线程安全性；
  • 3.我们的类和方法在做设计的时候，要尽量设计成无状态的；

三.解决办法

1.需要的时候创建新实例

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class DateUtil {
    
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd 
HH:mm:ss");
        return sdf.format(date);
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{
         SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd 
HH:mm:ss");
        return sdf.parse(strDate);
    }
}

      说明：在需要用到SimpleDateFormat 的地方新建一个实例，不管什么时候，将有线程安全问题的对象由共享变为局部私有都能避免多线程问题，不过也加重了创建对象的负担。在一般情况下，这样其实对性能影响比不是很明显的。

2.使用同步：同步SimpleDateFormat对象

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class DateSyncUtil {

private static SimpleDateFormat sdf = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd 
HH:mm:ss");
      
    public static String formatDate(Date date)throws ParseException{
        synchronized(sdf){
            return sdf.format(date);
        }  
    }
    
    public static Date parse(String strDate) throws ParseException{
        synchronized(sdf){
            return sdf.parse(strDate);
        }
    } 
}

      说明：当线程较多时，当一个线程调用该方法时，其他想要调用此方法的线程就要block，多线程并发量大的时候会对性能有一定的影响。

3.使用ThreadLocal

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.DateFormat;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class ConcurrentDateUtil {

private static ThreadLocal<DateFormat> threadLocal = new 
ThreadLocal<DateFormat>() {
        @Override
        protected DateFormat initialValue() {
            return new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
        }
    };

    public static Date parse(String dateStr) throws ParseException {
        return threadLocal.get().parse(dateStr);
    }

    public static String format(Date date) {
        return threadLocal.get().format(date);
    }
}

      另外一种写法：

package com.peidasoft.dateformat;

import java.text.DateFormat;
import java.text.ParseException;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;

public class ThreadLocalDateUtil {
    private static final String date_format = "yyyy-MM-dd HH:mm:ss";
    private static ThreadLocal<DateFormat> threadLocal = new ThreadLocal<DateFormat>(); 
 
    public static DateFormat getDateFormat()   
    {  
        DateFormat df = threadLocal.get();  
        if(df==null){  
            df = new SimpleDateFormat(date_format);  
            threadLocal.set(df);  
        }  
        return df;  
    }  

    public static String formatDate(Date date) throws ParseException {
        return getDateFormat().format(date);
    }

    public static Date parse(String strDate) throws ParseException {
        return getDateFormat().parse(strDate);
    }   
}

      说明：使用ThreadLocal, 也是将共享变量变为独享，线程独享肯定能比方法独享在并发环境中能减少创建对象的开销。如果对性能要求比较高的情况下，一般推荐使用这种方法。

4.抛弃JDK，使用其他类库中的时间格式化类

FastDateFormat

      1.使用Apache commons 里的FastDateFormat，宣称是既快又线程安全的SimpleDateFormat, 可惜它只能对日期进行format, 不能对日期串进行解析。

Joda-Time类库

      2.使用Joda-Time类库来处理时间相关问题
      做一个简单的压力测试，方法一最慢，方法三最快，但是就算是最慢的方法一性能也不差，一般系统方法一和方法二就可以满足，所以说在这个点很难成为你系统的瓶颈所在。从简单的角度来说，建议使用方法一或者方法二，如果在必要的时候，追求那么一点性能提升的话，可以考虑用方法三，用ThreadLocal做缓存。
      Joda-Time类库对时间处理方式比较完美，建议使用。

参考资料

1.http://dreamhead.blogbus.com/logs/215637834.html
2.http://www.blogjava.net/killme2008/archive/2011/07/10/354062.html

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