[Java 併發編程實戰] 設計線程安全的類的三個方式(含代碼)

来源:https://www.cnblogs.com/seaicelin/archive/2018/06/07/9148746.html
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發奮忘食，樂以忘優，不知老之將至。———《論語》 前面幾篇已經介紹了關於線程安全和同步的相關知識，那麼有了這些概念，我們就可以開始著手設計線程安全的類。本文將介紹構建線程安全類的幾個方法，並說明他的區別。 我要講的這幾個構建線程安全類的方式是： 另外，在設計線程安全類的過程中，我們需要考慮下麵三個基 ...


發奮忘食，樂以忘優，不知老之將至。———《論語》

前面幾篇已經介紹了關於線程安全和同步的相關知識，那麼有了這些概念，我們就可以開始著手設計線程安全的類。本文將介紹構建線程安全類的幾個方法，並說明他的區別。

我要講的這幾個構建線程安全類的方式是：

  1. 實例封閉。
  2. 線程安全性的委托。
  3. 現有的線程安全類添加功能。

另外，在設計線程安全類的過程中，我們需要考慮下麵三個基本要素，遵循這三個步驟：

  • 找出構成對象狀態的所有變數。
  • 找出約束狀態變數的不變性條件。
  • 建立對象狀態的併發訪問策略。

以上，就是這篇文章主要講解的內容，下麵章節分三個構建方法逐步展開說明，逐個分析，並附上自己測試過的實例代碼，確保這篇文章分享的內容是經過驗證的。

實例封閉

意思是將數據封裝在對象內部，它將數據的訪問限制在對象的方法上，從而更容易確保線程在訪問數據時總能持有正確的鎖。當一個非線程安全對象被封裝到另一對象中時，能夠訪問被封裝對象的所有代碼路徑都是已知的。這和在整個程式中直接訪問非線程對象相比，更易於對代碼進行分析。下麵代碼清單就是一個實例封閉的例子：

 1import java.util.ArrayList;
 2
 3//ThreadSafe
 4public class PointList{
 5
 6    //非線程安全對象 myList
 7    private final ArrayList<SafePoint> myList = new ArrayList<SafePoint>();
 8
 9    //所有訪問 myList 的方法都是用同步鎖，確保線程安全
10    public synchronized void addPoint(SafePoint p) {
11        myList.add(p);
12    }
13    //所有訪問 myList 的方法都是用同步鎖，確保線程安全
14    public synchronized boolean containsPoint(SafePoint p) {
15        return myList.contains(p);
16    }
17    //所有訪問 myList 的方法都是用同步鎖，確保線程安全
18    //發佈SafePoint
19    public synchronized SafePoint getPoint(int i) {
20        return myList.get(i);
21    }
22
23    //ThreadSafe(可發佈的可變線程安全對象)
24    class SafePoint{
25        private int x;
26        private int y;
27
28        private SafePoint(int[] a) {this(a[0], a[1]);}
29
30        public SafePoint(SafePoint p) {this(p.get());}
31
32        public SafePoint(int x, int y) {
33            this.x = x;
34            this.y = y;
35        }
36        //使用同步鎖，確保線程安全
37        public synchronized int[] get() {
38            return new int[] {x, y};
39        }
40        //使用同步鎖，確保線程安全
41        public synchronized void set(int x, int y) {
42            this.x = x;
43            this.y = y;
44        }
45    }
46}

PointList 的狀態由 ArrayList 來管理，但是 ArrayList 並非線程安全的。由於 ArrayList 私有並且不會逸出，因此 ArrayList 被封閉在 PointList 中。唯一能夠訪問 ArrayList 的路徑都上同步鎖了，也就是說 ArrayList 的狀態完全有 PointList 內置鎖保護，因而 PointList 是一個線程安全的類。Point 類的安全性放到後面討論。

從這裡例子可以看出，實例封閉可以非常簡單的構建出線程安全的類。封閉機制更易於構造線程安全的類，因為當封閉類的狀態時，在分析類的線程安全性時就無需檢查整個程式。當然，如果將一個本該封閉的對象發佈出去，那麼也會破壞封閉性。

線程安全性的委托

如果類中的各個狀態已經是線程安全的，那麼是否需要再增加一個線程安全層的封裝呢？
具體問題具體分析，這種需要視情況而定。

1） 如果各個狀態變數是相互獨立的並且互不依賴，並且沒有複合操作，那麼可以將線程安全性委托給底層的狀態變數。如將安全性委托給 value：

1import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
2
3public class SafeSequene{
4    private value = new AtomicInteger(0);
5    //返回一個唯一的數值
6    public synchronized int getNext(){
7        return value.incrementAndGet();
8    }
9}

2） 如果各個狀態變數之間存在依賴關係，並且存在複合操作，那麼是非線程安全的。來看下麵一個例子，NumberRange 這個類的各個狀態組成部分都是線程安全的，但是存在狀態之間的依賴關係，並非互相獨立，所以也是非線程安全的。

 1import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 2
 3public class NumberRange{
 4
 5    //不變性條件：lower <= upper
 6    private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);//線程安全類
 7    private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);//線程安全類
 8
 9    private static boolean flag = true;
10
11    private static volatile boolean stopAllThread = false; //檢測到無效狀態，停止所有線程並輸出，此時lower > upper
12
13    private static int count = 3; //非線程安全，但是不必理會，不影響我們測試
14
15    //檢查然後更新
16    public void setLower(int i) {
17        if(i <= upper.get()) { //lower依賴upper的值，有可能upper的值已經失效
18            lower.set(i);
19        }
20    }
21
22    //檢查然後更新
23    public void setUpper(int i) {
24        if(i >= lower.get()) { //upper依賴lower的值，有可能lower的值已經失效
25            upper.set(i);
26        }
27    }
28
29    public static void main(String[] args) {
30
31
32        NumberRange nr = new NumberRange();
33        while(stopAllThread == false) { 
34            for(int i = 0; i < 10000; i++) {
35
36                if(stopAllThread == true)
37                    break;
38
39                new Thread(new Runnable() {
40                    @Override
41                    public void run() {
42
43                        if(stopAllThread == true)
44                            return;
45
46                        if(flag == true)
47                        {
48                            flag = false;
49                            nr.setLower(count++);
50                        }
51                        else {
52                            flag = true;
53                            nr.setUpper(count);
54                        }
55                        if(nr.lower.get() > nr.upper.get()) //檢測到無效狀態，lower > upper
56                        {
57                            stopAllThread = true;
58                            System.out.println("state wrong");//列印錯誤信息
59                            System.out.println("lower = " + nr.lower.get() + " upper = " + nr.upper.get());
60                        }
61                    }
62                }).start();
63            }
64            while(Thread.activeCount() > 1);
65            System.out.println("lower = " + nr.lower.get() + " upper = " + nr.upper.get());
66        }
67    }
68}

在上面的程式中，併發的情況下我們可以檢測到無效狀態，即 upper 的值大於 lower 的值。這便是不滿足我們的不變性條件，因為狀態變數 lower 和 upper 不是彼此獨立的，因此 NumberRange 不能將線程安全委托給他的線程安全狀態變數。輸出如下：

這裡寫圖片描述這裡寫圖片描述

3） 如何安全的發佈底層的狀態變數？
如果一個狀態變數是線程安全的，並且沒有任何不變性條件來約束他的值，在變數操作上也不存在任何不允許的狀態轉換，那麼就可以安全的發佈這個變數。在示例封閉的代碼清單中，SafePoint 是一個可變的且線程安全的類，我們可以安全的發佈它。

現有的線程安全類添加功能

Java 的類庫中，已經包含了很多線程安全的基礎模塊。通常，我們可以直接拿來重用，並不需要重覆造輪子。重用已有的類庫，可以有效降低開發的工作量，開發風險以及維護成本。下麵將講解三種方式來增加新方法，組合方式將是最優的方法。我們應當避免使用前兩種方式，而所用最後一種方式。

通過繼承基類添加功能（擴展類方式）

假設，我們需要對 Vector 擴展，添加一個[若沒有則添加]的操作。我們想到的最直接的方法應該是修改原始類，但是通常是無法做到的，因為我們極有可能沒法訪問或修改類的源代碼。

現在採用另一種方式，通過繼承基類的方式擴展這個類並添加一個新方法 putIfAbsent。如下所示：

 1import java.util.Vector;
 2//ThreadSafe
 3public class BetterVector<E> extends Vector<E>{
 4    public synchronized boolean putIfAbsent(E x) {
 5        boolean absent = !contains(x);
 6        if(absent)
 7            add(x);
 8        return absent;
 9    }
10}

這樣就可以成功添加一個新的方法。然而，這比直接在基類代碼增加新方法更加脆弱，因為現在的同步策略被分佈到多個源碼文件中。如果底層的類修改了同步策略並選擇不同的鎖來保護，那麼子類將會失效，不能保證線程安全。

客戶端加鎖機制

同樣，來增加一個新方法 putIfAbsent，請看下麵代碼：

 1import java.util.ArrayList;
 2import java.util.Collections;
 3import java.util.List;
 4
 5public class ListHelper<E> {
 6
 7    public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
 8    //無效的同步鎖
 9    public  synchronized boolean putIfAbsent(E x) {
10        boolean absent = !list.contains(x);
11        if(absent)
12            list.add(x);
13        return absent;
14    }   
15}

這種方式並不能實現線程安全,它的問題在於同步的時候使用了錯誤的鎖。因為 List 本身用的鎖肯定不是 ListHelper 上的鎖，這意味著 putIfAbsent 相對於其他 List 的方法來說並不是同步的。所以看起來同步了實際上卻沒有什麼卵用。

要使這個方法能夠正確同步，必須在客戶端加鎖。即對於使用某個對象 X 的客戶端代碼，使用 X 本身用於保護其狀態的鎖來保護這段客戶代碼。要使用客戶端加鎖，你必須知道對象 X 使用的是哪個鎖。

在 Vector 和同步封裝器的文檔中指出，他們通過使用 Vector 或封裝器容器的內置鎖來支持客戶端加鎖。上面代碼可以改成如下：

 1import java.util.ArrayList;
 2import java.util.Collections;
 3import java.util.List;
 4
 5public class ListHelper<E> {
 6
 7    public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
 8
 9    public  boolean putIfAbsent(E x) {
10        synchronized(list) {//客戶端加鎖
11            boolean absent = !list.contains(x);
12            if(absent)
13                list.add(x);
14            return absent;
15        }
16    }   
17}

客戶端加鎖方式是很脆弱的加鎖方式，意味他將類 C 的加鎖代碼放到與 C 完全無關的其他類中。所以在使用客戶端加鎖時，需要特別小心。

客戶端加鎖機制和擴展類機制有許多共同點，二者都是講派生類的行為與基類的實現耦合在一起，會破壞實現的封裝性和同步策略的封裝性。

組合

相比前面兩種機制，這是一種更好的方法。如下所示，ImprovedList 將 List 的操作委托給底層的 List 對象，然後自己繼承 List 介面的所有方法並對他們加上同步鎖。

 1import java.util.Collection;
 2import java.util.Iterator;
 3import java.util.List;
 4import java.util.ListIterator;
 5
 6public class ImprovedList<T> implements List<T>{
 7
 8    private final List<T> list;
 9
10    public ImprovedList(List<T> list) {
11        this.list = list;
12    }
13
14    //同步方法
15    public synchronized boolean putIfAbsent(T x) {
16        boolean contains = list.contains(x);
17        if(!contains)
18            list.add(x);
19        return contains;
20    }
21
22    @Override
23    public synchronized boolean add(T arg0) {
24        list.add(arg0);
25        return false;
26    }
27
28    @Override
29    public synchronized void clear() {
30        // TODO Auto-generated method stub
31        list.clear();
32    }
33
34    //按照此同步方式實現其他方法
35
36}

ImprovedList 增加了一層自身的內置鎖，它不用關心底層的 List 是否線程安全或者底層 List 修改了他自己的加鎖實現，ImprovedList 都能構提供一致的加鎖機制來實現線程安全性。當然，加多一層鎖會導致性能損失，但是 ImprovedList 相比前面兩種方式也更加健壯。

上面就是構建安全類的所有內容，希望對你有所幫助，謝謝！！


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