Java SimpleDateFormat 教學與錯誤用法

java clean code design

Kai-Sheng's Blog 2022-12-03 00:09:53 ‧ 6954 瀏覽

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開發 Java 專案時經常操作時間、日期與字串的互相轉換，最常見簡單的方式是使用 SimpleDateFormat，想必大家對它不陌生。雖然它簡單易用，如果沒有正確使用，在一般環境下使用通常不會出錯，但在高併發（Highly Concurrent）的環境下就可能會出現異常。

我們都知道在程式中應盡量少使用 new SimpleDateFormat，因為若頻繁實例化，則需要花費較多的成本，因此我們盡可能共用同一個實例。假設有一個轉換日期時間的 DateUtil 程式碼如下

public class DateUtil {

    private static final SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        
    public static String format(Date date) {
        return simpleDateFormat.format(date);
    }
}

不幸的是，共用 SimpleDateFormat 就是最典型的錯誤用法。官方文件提到:

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.

從 SimpleDateFormat 的原始碼中也可以看到它是有狀態的，而且其中 calendar 被宣告為成員變數，因此呼叫 format, parse 等 method 時會多次存取此 calendar。在高併發環境下，將會造成 race condition，結果值就會不符預期，甚至拋出 exception。

幸運的是，已有許多解決方案:

正確用法 1. 每次都 new

public class DateUtil {

    public static String format(Date date) {
        SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
        return simpleDateFormat.format(date);
    }
}

這是最簡單的做法，只要每次都宣告區域變數就可以了，區域變數是 thread-safe。若專案對於效能要求不高，也許可以考慮這個解法，或直到出現效能問題時再考慮其他方法。畢竟至少這個做法能正確運作，而且簡單的作法往往是較好的。

正確用法 2. 加鎖

public class DateUtil {
    private static SimpleDateFormat simpleDateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd hh:mm:ss");

    synchronized public static String format(Date date) {
        return simpleDateFormat.format(date);
    }
}

首先宣告 SimpleDateFormat field，避免重複 new 而造成效能問題。再加上關鍵字 synchronized 就能確保同一時刻只有一個 thread 能執行 format (mutual exclusion)。雖然這個方式不會出錯，但可能降低併發度。

正確用法 3. 使用 ThreadLocal 容器

ThreadLocal 容器是一種讓程式達到 thread-safety 的手段，它相當於給每個 thread 都開了一個獨立的存儲空間，既然 thread 之間互相隔離，自然解決了 race condition 的問題，也讓 thread 能重複使用 SimpleDateFormat 實例。程式碼如下:

public class DateUtil {
    // 可以把 ThreadLocal<SimpleDateFormat> 視為一個全域 Map<Thread, SimpleDateFormat>，key 就是 current thread
    // 意義上相當於 currentThread 專屬、獨立的 cache。
    private static ThreadLocal<SimpleDateFormat> local = new ThreadLocal<>();

    private static SimpleDateFormat getDateFormat() {
        // currentThread 從自己的 ThreadLocalMap 取得 SimpleDateFormat。
        // 如果是 null，則建立 SimpleDateFormat 並放入自己的 ThreadLocalMap 中。
        SimpleDateFormat dateFormat = local.get();
        if (dateFormat == null) {
            dateFormat = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            local.set(dateFormat);
        }
        return dateFormat;
    }

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

舉例來說，如果 thread pool 有 10 個 thread，程式就會建立 10 個 SimpleDateFormat 實例，這些 thread 們在每次的任務中重複使用各自的 SimpleDateFormat。但要注意一點，該 thread 能夠重複被使用(例如 server 在處理完一次 request 後，thread 會再回到 thread pool 待命)，否則效果會和方法1差不多。這個方法的缺點是程式會變得較複雜。

正確用法4. 改用 DateTimeFormatter(推薦)

雖然有點文不對題，畢竟這個問題困擾很多人許久了，因此在 Java 8 版本後官方就提供了 DateTimeFormatter 物件用來代替 SimpleDateFormat。就像官方文件中說的:

DateTimeFormatter in Java 8 is immutable and thread-safe alternative to SimpleDateFormat.

簡單的範例如下:

將字串轉成 LocalDate

String dateStr = "2022/05/24";
DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy/MM/dd");
LocalDate date = LocalDate.parse(dateStr, formatter);

LocalDateTime 轉成字串

LocalDateTime now = LocalDateTime.now();
DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy年MM月dd日 hh:mm");
System.out.println(now.format(formatter));

References

本文轉錄自我的部落格 https://kaisheng714.github.io/articles/simple-date-format