【多线程】 Spring 无状态 Service 线程安全设计实战

文章目录

一、核心结论

Spring 单例 Service 实现线程安全的一种常见方式是依赖两个关键因素:

  1. 无状态单例 - Service 没有可变的实例字段
  2. 请求隔离 - 每个请求有独立的数据对象(如 Context、DTO 等)

注意:这是实现线程安全的一种方式,还有其他方式(如使用同步机制、线程安全容器等),但无状态设计是最推荐的做法。


二、线程安全的三个关键要素

要素1:无状态的 Service 设计

java 复制代码
@Service
public class UserService {
    
    // ✅ 注入的服务引用 - 不可变,指向的是其他无状态单例
    @Resource
    private UserRepository userRepository;
    @Resource
    private EmailService emailService;
    
    // ✅ 配置值 - 启动时注入,之后不可变
    @Value("${app.api.timeout}")
    private Integer apiTimeout;
    
    // ✅ 没有任何可变的实例字段!
    
    public UserDTO processUser(String userId) {
        // 业务逻辑处理
        User user = userRepository.findById(userId);
        return convertToDTO(user);
    }
}

为什么安全?

  • 所有字段在应用启动后就固定不变
  • 多个线程读取同一个不可变值,不会产生竞态条件
  • Service 实例被所有线程共享,但没有任何共享的可变状态

要素2:方法内使用局部变量

java 复制代码
@Service
public class OrderService {
    
    public OrderResult processOrder(OrderRequest request) {
        // ✅ 局部变量 - 每个线程有独立的栈空间
        List<OrderItem> items = new ArrayList<>();
        
        // ✅ 局部变量
        BigDecimal totalAmount = calculateTotal(request);
        
        // ✅ 局部变量
        Order order = buildOrder(request, items, totalAmount);
        
        return new OrderResult(order);
    }
}

为什么安全?

  • 每个线程调用方法时,JVM 会为该线程分配独立的栈帧
  • 局部变量存储在线程私有的栈空间中
  • 不同线程的局部变量完全隔离,互不影响
  • 即使多个线程同时调用同一个方法,它们操作的是各自栈中的局部变量

要素3:请求级别的数据隔离

java 复制代码
// 使用线程安全的容器管理请求上下文
public class RequestContextManager {
    // ✅ 使用 ConcurrentHashMap 保证线程安全
    private static ConcurrentHashMap<String, RequestContext> cache = new ConcurrentHashMap<>();
    
    public static RequestContext getOrCreateContext(String requestId) {
        // ✅ computeIfAbsent 是原子操作
        return cache.computeIfAbsent(requestId, key -> {
            return new RequestContext(key);
        });
    }
}

// Service 中使用
@Service
public class BusinessService {
    
    public void process(String requestId, String data) {
        // ✅ 每个请求获取独立的 Context 实例
        RequestContext context = RequestContextManager.getOrCreateContext(requestId);
        context.setData(data);  // 只影响当前请求的 Context
        // 处理业务逻辑...
    }
}

为什么安全?

  • 每个 requestId 对应一个独立的 Context 实例
  • ConcurrentHashMap 保证并发访问安全
  • 不同请求操作不同的对象,不存在共享数据竞争
  • 即使 Service 是单例,但每个请求的数据对象是独立的

三、并发执行示意图

复制代码
时间轴 ────────────────────────────────────────────────────────────►

Thread-1 (requestId=A)    Thread-2 (requestId=B)    Thread-3 (requestId=C)
        │                         │                         │
        ▼                         ▼                         ▼
┌───────────────────┐   ┌───────────────────┐   ┌───────────────────┐
│ 局部变量:          │   │ 局部变量:          │   │ 局部变量:          │
│  items_A          │   │  items_B          │   │  items_C          │
│  totalAmount_A    │   │  totalAmount_B    │   │  totalAmount_C    │
└─────────┬─────────┘   └─────────┬─────────┘   └─────────┬─────────┘
          │                       │                       │
          ▼                       ▼                       ▼
┌───────────────────┐   ┌───────────────────┐   ┌───────────────────┐
│  RequestContext_A │   │  RequestContext_B │   │  RequestContext_C │
│  (独立实例)        │   │  (独立实例)        │   │  (独立实例)        │
└───────────────────┘   └───────────────────┘   └───────────────────┘
          │                       │                       │
          └───────────────────────┼───────────────────────┘
                                  │
                                  ▼
                    ┌─────────────────────────────┐
                    │      BusinessService       │
                    │   (单例,无状态,共享)       │
                    │                             │
                    │   - 只读取注入的服务          │
                    │   - 不修改任何实例字段        │
                    │   - 操作传入的独立对象        │
                    └─────────────────────────────┘

四、反例:如何写出线程不安全的代码

❌ 反例1:在 Service 中添加可变实例字段

java 复制代码
@Service
public class UnsafeUserService {
    
    // ❌ 危险!可变的实例字段
    private List<String> processingUsers = new ArrayList<>();
    
    // ❌ 危险!可变的实例字段
    private User currentUser;
    
    public void processUser(String userId) {
        // ❌ 多线程同时操作同一个 List
        this.processingUsers.clear();  // Thread-1 清空
        this.processingUsers.add(userId); // Thread-2 同时添加 → 数据错乱!
        
        // ❌ 多线程同时修改同一个引用
        this.currentUser = userRepository.findById(userId); // Thread-1 设置 user_A
                                                             // Thread-2 设置 user_B
                                                             // 后续使用时可能拿到错误的 user
    }
}

问题分析:

  • processingUsers 被所有线程共享
  • Thread-1 正在遍历时,Thread-2 可能正在修改,导致 ConcurrentModificationException
  • currentUser 被覆盖,导致数据串请求

正确做法:

java 复制代码
@Service
public class SafeUserService {
    
    // ✅ 无实例字段,所有数据通过参数传递
    
    public void processUser(String userId) {
        // ✅ 使用局部变量
        List<String> processingUsers = new ArrayList<>();
        processingUsers.add(userId);
        
        // ✅ 使用局部变量
        User currentUser = userRepository.findById(userId);
        // 处理业务逻辑...
    }
}

❌ 反例2:使用共享的缓存但没有正确同步

java 复制代码
@Service
public class UnsafeCacheService {
    
    // ❌ 使用 HashMap 而不是 ConcurrentHashMap
    private Map<String, User> userCache = new HashMap<>();
    
    public User getUser(String userId) {
        // ❌ 检查-执行 不是原子操作
        if (!userCache.containsKey(userId)) {          // Thread-1 检查:不存在
                                                         // Thread-2 检查:不存在
            User user = userRepository.findById(userId); // 两个线程都去查询数据库
            userCache.put(userId, user);                 // 两个线程都写入
                                                          // HashMap 并发写入可能导致死循环或数据丢失
        }
        return userCache.get(userId);
    }
}

问题分析:

  • HashMap 不是线程安全的,并发 put 可能导致链表成环(JDK7)或数据丢失
  • 应该使用 ConcurrentHashMap 或加锁

正确做法:

java 复制代码
@Service
public class SafeCacheService {
    
    // ✅ 使用线程安全的容器
    private ConcurrentHashMap<String, User> userCache = new ConcurrentHashMap<>();
    
    public User getUser(String userId) {
        // ✅ computeIfAbsent 是原子操作
        return userCache.computeIfAbsent(userId, key -> {
            return userRepository.findById(key);
        });
    }
}

❌ 反例3:在多个请求间共享可变对象

java 复制代码
@Service
public class UnsafeContextService {
    
    // ❌ 所有请求共享同一个可变对象
    private static final RequestContext SHARED_CONTEXT = new RequestContext("shared");
    
    public void process(String requestId, String data) {
        // ❌ Thread-1 设置 data="用户A的数据"
        SHARED_CONTEXT.setData(data);
        
        // ❌ Thread-2 设置 data="用户B的数据",覆盖了 Thread-1 的值
        
        // Thread-1 读取时可能拿到 "用户B的数据" → 数据串请求!
        String actualData = SHARED_CONTEXT.getData();
    }
}

问题分析:

  • 多个请求共享同一个 Context 对象
  • 一个请求的数据会覆盖另一个请求的数据
  • 导致"数据串请求"的严重 Bug

正确做法:

java 复制代码
@Service
public class SafeContextService {
    
    // ✅ 使用线程安全的容器,每个请求独立的 Context
    private static ConcurrentHashMap<String, RequestContext> contextCache = 
        new ConcurrentHashMap<>();
    
    public void process(String requestId, String data) {
        // ✅ 每个请求获取独立的 Context
        RequestContext context = contextCache.computeIfAbsent(requestId, 
            key -> new RequestContext(key));
        context.setData(data);  // 只影响当前请求的 Context
    }
}

❌ 反例4:延迟初始化没有正确同步

java 复制代码
@Service
public class UnsafeLazyInitService {
    
    // ❌ 延迟初始化的实例字段
    private ExpensiveResource resource;
    
    public void doSomething() {
        // ❌ 双重检查锁定的错误实现(没有 volatile)
        if (resource == null) {                    // Thread-1 检查:null
                                                   // Thread-2 检查:null
            synchronized (this) {
                if (resource == null) {
                    resource = new ExpensiveResource(); // 可能看到部分初始化的对象
                }
            }
        }
        resource.use(); // 可能使用未完全初始化的对象
    }
}

问题分析:

  • 没有 volatile 修饰,可能出现指令重排序
  • 其他线程可能看到一个"部分构造"的对象

正确做法:

java 复制代码
@Service
public class SafeLazyInitService {
    
    // ✅ 使用 volatile 保证可见性
    private volatile ExpensiveResource resource;
    
    public void doSomething() {
        // ✅ 正确的双重检查锁定
        if (resource == null) {
            synchronized (this) {
                if (resource == null) {
                    resource = new ExpensiveResource();
                }
            }
        }
        resource.use();
    }
    
    // ✅ 或者使用更简单的方式:在构造时初始化
    private final ExpensiveResource resource = new ExpensiveResource();
}

五、线程安全的最佳实践总结

实践 说明 示例
无状态设计 Service 不持有可变的实例字段 只注入其他 Service 和配置值
使用局部变量 方法内的临时数据用局部变量存储 List<String> list = new ArrayList<>()
请求隔离 每个请求使用独立的 Context/DTO 对象 使用 ConcurrentHashMap 管理请求上下文
线程安全容器 使用 ConcurrentHashMap 替代 HashMap ConcurrentHashMap<String, Object>
不可变对象 配置类、DTO 尽量设计为不可变 使用 final 字段和不可变集合
避免共享可变状态 如必须共享,使用适当的同步机制 synchronizedvolatile、原子类等

六、线程安全的关键链路

复制代码
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                      线程安全的关键链路                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                                 │
│  HTTP Request                                                   │
│       │                                                         │
│       ▼                                                         │
│  ┌─────────────────┐                                           │
│  │ 生成唯一 requestId │  ← 每个请求有唯一标识                     │
│  └────────┬────────┘                                           │
│           │                                                     │
│           ▼                                                     │
│  ┌─────────────────────────────┐                               │
│  │ RequestContextManager        │                               │
│  │ (ConcurrentHashMap)          │  ← 线程安全的容器               │
│  │                              │                               │
│  │ requestId → RequestContext   │  ← 每个请求独立的 Context       │
│  └──────────────┬──────────────┘                               │
│                 │                                               │
│                 ▼                                               │
│  ┌─────────────────────────────┐                               │
│  │ BusinessService             │                               │
│  │ (无状态单例)                  │  ← 只依赖参数和局部变量         │
│  │                              │                               │
│  │ process(context, ...)        │  ← 操作传入的独立 Context       │
│  └─────────────────────────────┘                               │
│                                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

核心原则:遵循无状态 Service + 请求隔离 Context 的设计模式,在多线程并发场景下是安全的。


七、代码审查检查清单

在审查 Spring Service 的线程安全性时,可以按以下清单检查:

✅ 安全指标

  • Service 类没有可变的实例字段(除了注入的依赖)
  • 方法内使用局部变量存储临时数据
  • 每个请求使用独立的 Context/DTO 对象
  • 使用线程安全的集合类(ConcurrentHashMapCopyOnWriteArrayList 等)
  • 共享资源有适当的同步机制(锁、原子类等)
  • 延迟初始化的字段使用 volatile 或正确的同步

❌ 危险信号

  • Service 有可变的实例字段(如 private List list = new ArrayList()
  • 使用非线程安全的集合(HashMapArrayList 等)作为实例字段
  • 多个请求共享同一个可变对象
  • 延迟初始化没有使用 volatile 或正确的同步
  • 静态可变字段没有同步保护
  • 在方法间共享可变状态

八、常见问题 FAQ

Q1: Spring 的 @Service 默认是单例,为什么还能线程安全?

A: 单例本身不是问题,问题在于是否有共享的可变状态。如果 Service 是无状态的(只依赖参数和局部变量),那么单例就是安全的。Spring 单例模式的优势是:

  • 减少对象创建开销
  • 提高性能
  • 只要保证无状态,就是线程安全的

Q2: 如果必须使用实例字段怎么办?

A: 有几种方案:

  1. 使用 ThreadLocal - 为每个线程提供独立的副本

    java 复制代码
    private ThreadLocal<List<String>> threadLocalList = ThreadLocal.withInitial(ArrayList::new);
  2. 使用同步机制 - synchronizedReentrantLock

    java 复制代码
    private final Object lock = new Object();
    private List<String> sharedList = new ArrayList<>();
    
    public void add(String item) {
        synchronized (lock) {
            sharedList.add(item);
        }
    }
  3. 使用线程安全的集合 - ConcurrentHashMapCopyOnWriteArrayList

    java 复制代码
    private ConcurrentHashMap<String, Object> cache = new ConcurrentHashMap<>();
  4. 重构为无状态设计 - 将状态通过参数传递(推荐)

Q3: 如何测试线程安全性?

A: 可以使用并发测试工具:

  • JMeter - 模拟并发 HTTP 请求

  • JUnit + 多线程测试 - 编写并发单元测试

    java 复制代码
    @Test
    public void testConcurrentAccess() throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(10);
        CountDownLatch latch = new CountDownLatch(100);
        
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executor.submit(() -> {
                try {
                    service.process(...);
                } finally {
                    latch.countDown();
                }
            });
        }
        
        latch.await();
        // 验证结果
    }
  • 压力测试工具 - 如 Apache Bench、wrk 等

Q4: ConcurrentHashMap 一定安全吗?

A: ConcurrentHashMap 本身是线程安全的,但需要注意:

  • 单个操作是原子的 (如 putgetremove

  • 复合操作需要额外同步 (如 check-then-act 模式)

    java 复制代码
    // ❌ 不安全:检查-执行不是原子操作
    if (!map.containsKey(key)) {
        map.put(key, value);
    }
    
    // ✅ 安全:使用 computeIfAbsent
    map.computeIfAbsent(key, k -> value);
  • 迭代器是弱一致性的 ,不会抛出 ConcurrentModificationException,但可能看到部分更新


九、实战示例

示例1:用户服务(无状态设计)

java 复制代码
@Service
public class UserService {
    
    @Resource
    private UserRepository userRepository;
    
    @Resource
    private EmailService emailService;
    
    // ✅ 无实例字段,完全无状态
    
    public UserDTO getUser(String userId) {
        // ✅ 使用局部变量
        User user = userRepository.findById(userId);
        return convertToDTO(user);
    }
    
    public void sendWelcomeEmail(String userId) {
        // ✅ 使用局部变量
        User user = userRepository.findById(userId);
        emailService.send(user.getEmail(), "Welcome");
    }
}

示例2:订单服务(请求隔离)

java 复制代码
@Service
public class OrderService {
    
    // ✅ 使用线程安全的容器管理订单上下文
    private static ConcurrentHashMap<String, OrderContext> orderContexts = 
        new ConcurrentHashMap<>();
    
    public void createOrder(String orderId, OrderRequest request) {
        // ✅ 每个订单有独立的上下文
        OrderContext context = orderContexts.computeIfAbsent(orderId, 
            key -> new OrderContext(key));
        
        // ✅ 使用局部变量
        List<OrderItem> items = buildItems(request);
        BigDecimal total = calculateTotal(items);
        
        context.setItems(items);
        context.setTotal(total);
        
        // 处理订单创建...
    }
}

十、参考资料

  1. Java Concurrency in Practice - 并发编程经典书籍
  2. Spring Framework Documentation - Bean Scopes
  3. Oracle Java Tutorials - Concurrency
  4. Effective Java - Item 17: Minimize mutability
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