Java静态static工具类线程安全问题研究

针对静态方法有以下一些前提：

• 静态方法和实例方法的区别是静态方法只能引用静态变量，静态方法通过类名来调用，实例方法通过对象实例来调用
• 每个线程都有自己的线程栈，栈与线程同时创建，每一个虚拟机线程都有自己的程序计数器PC，在任何时刻，一个虚拟机线程只会执行一个方法的代码，这个方法称为该线程的当前方法，如果这个方法不是native的，程序计数器就保存虚拟机正在执行的字节码指令的地址。
• 线程调用方法的时候会创建栈帧，用于保存局部变量表和操作数栈以及指向该类常量池的引用
• 静态方法虽然是同一个方法，但是不同线程在调用，程序计数器的值是不一样的，操作这两个线程不会相互影响（假设不存在访问共享变量的情况）

在设计工具类时，这要没有共享的变量，静态工具类方法不需要加锁。在使用单例模式做工具类，这个时候静态方法就需要加锁，因为所有的线程虽然都是有自己的方法栈，但是在方法栈中操作的是同一个对象的实体（所以需要加锁，加锁的代价是所有的线程需要等待锁的释放才能使用该对象的引用）在使用多例模式做工具类时，这个时候也是不需要加锁，因为所有的线程都有自己的方法栈，但是方法栈帧中创建了独立的对象引用，每个线程都是在操作各自方法栈帧中的局部对象引用，所以这时候不要同步。

由于web天生并发性，导致我们的一般java工具类会在这样的环境下出现问题。

其实问题的根源就是我们的工具类不是线程安全的。

有一个生成md5的工具类：

public class MD5 {
    private static long[] state = new long[4];
    private static long[] count = new long[2];
    private static byte[] buffer = new byte[64];
    private static byte[] digest = new byte[16];  

    private String digestHexStr="";
    public static MD5() {
    }
    //计算MD5
    public static String getMD5ofStr(String inbuf) {
    }
}  

变量state， count ，buffer ，digest 算法中用到的核心数据，digestHexStr存放计算的结果。在多线程并发访问的情况下，这些变量是会被“共享”的，所以会导致计算结果不准确甚至出现异常。

有三种比较简单的方法可以解决：

getMD5ofStr方法变成非static的普通方法，这样每次调用这个方法都必须new一个新的MD5对象。

getMD5ofStr方法变成同步方法（同步代码块，显示锁，synchronized method都可以）。

将被“共享”的变量放到方法getMD5ofStr里面，不设置成员变量。

考虑到现在系统有些地方已经开始使用这个工具类了，不便改动结构，先采用第二种快速修复bug，然后腾出时间用第三种发放重构。

PS：

工具类能否设计成单例？如果能最好。单例能减少创建类和分配内存的开销，减少垃圾回收次数。

工具类能否设计成不变类？如果能最好，不变类天生线程安全！

在并发环境下，工具类能不能不用同步？不管怎么说，同步都是要有一些开销的。

PPS：

这样会好一些：

public final class MD5 {
    private MD5(){}
    //计算MD5
    public static String getMD5ofStr(String inbuf) {
        long[] state = new long[4];
        long[] count = new long[2];
        byte[] buffer = new byte[64];
        byte[] digest = new byte[16];
        String digestHexStr="";
        ........
    }
}  

其它示例：

public class StaticTest {
    private static int count = 0;
    private static int counts = 0;  

    /**
     * 不会存在并发问题
     *
     * @return
     */
    public static String getTestStr() {
        String xx = Thread.currentThread().toString();
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return xx;
    }  

    /**
     * 存不存在并发问题与传入的变量有关
     * 假如thread a和thread b都在操作对象a则存在
     * @param user
     * @return
     */
    public static String getTestUser(User user) {
        String str = "id: " + user.getId() + "name: " + user.getName();
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return str;
    }  

    /**
     * 存在并发问题
     *
     * @return
     */
    public static int getTestCount() {
        count++;
        count++;
        count++;
        count++;
        count++;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        count++;
        count++;
        count++;
        count++;
        count++;
        return count;
    }  

    /**
     * 不存在并发问题
     *
     * @return
     */
    public synchronized static int getTestCountS() {
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        counts++;
        return counts;
    }  

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User();
        for (int i = 0 ; i < 1000 ; i++){
            final int finalI = i;
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    User userTmp = new User();
                    user.setId(finalI);
                    user.setName(Thread.currentThread().toString());
                    userTmp.setId(finalI);
                    userTmp.setName(Thread.currentThread().toString());
                    //局部变量不存在问题
                    System.out.println("getTestStr: " + Thread.currentThread()  + StaticTest.getTestStr());
                    //与user有关
                    System.out.println("getTestUser: " + Thread.currentThread() + StaticTest.getTestUser(user));
                    System.out.println("getTestUseS: " + Thread.currentThread()  + StaticTest.getTestUser(userTmp));  

                    //线程不安全
                    System.out.println("getTestCount: "  + Thread.currentThread() + StaticTest.getTestCount() % 10);  

                    //安全但是慢需要加锁
                    System.out.println("getTestCountS: "  + Thread.currentThread() + StaticTest.getTestCountS() % 10);
                }
            });
            thread.start();
        }  

    }
}  

参考：

http://blog.csdn.net/thekenofdis/article/details/74529886（以上内容部分转自此篇文章）

https://www.cnblogs.com/LvLoveYuForever/p/6077148.html

http://www.genshuixue.com/i-cxy/p/7637981

http://wuhaocn.iteye.com/blog/2269391（以上内容部分转自此篇文章）