Java併發編程實戰（chapter_2）（對象發佈、不變性、設計線程安全類）

来源:https://www.cnblogs.com/1024Community/archive/2018/04/01/8685396.html
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又是三星期的生活。感覺自從有了這個分享之後，會無形多了一份動力，逼著自己不能落後，必須要去不停的學習，這其實是我想要的，各位少年團中的成員也都是有共鳴的，在此很感動，省去一萬字。。。。。這一次會總結對象的安全發佈、不變性，這幾點，在我們工程實踐中，同樣也是非常具有參考與思考價值的基礎知識點。看書枯燥 ...


又是三星期的生活。感覺自從有了這個分享之後，會無形多了一份動力，逼著自己不能落後，必須要去不停的學習，這其實是我想要的，各位少年團中的成員也都是有共鳴的，在此很感動，省去一萬字。。。。。這一次會總結對象的安全發佈、不變性，這幾點，在我們工程實踐中，同樣也是非常具有參考與思考價值的基礎知識點。看書枯燥，理解生澀，可是當你看過，理解一點，再平時業務代碼中就會比別人多思考一分，就會比別人在更“惡劣”的網路環境中，更穩定一分。這幾天想起《三傻》中，那句很經典的話：追求卓越，成功將會悄悄的靠近你。

一、發佈與溢出

“發佈（Publish）”一個對象的意思是指，使對象能夠在當前作用於之外的代碼中使用。這個“之外”，尤為關鍵，各種出問題的地方，都是因為這個“之外”所引起的。例如，如果在對象構造完成之前就發佈該對象，就會破壞線程安全性。當某個不應該發佈的對象被髮布時，這種情況就被稱為“溢出”。下麵使用簡單的例子進行說明：

1. 日常非常不註意的行為

class Status {
    private String[] states = new String[]{"AA","BB","CC"};

    public String[] getStates(){
        return states;
    }
}

思考：很多人會不服的來爭吵：這特麽哪裡有問題，跑了這麼久的線上了，一直沒出問題啊！好，那麼問題了來：是不是線上一直沒問題的代碼，就是好代碼？就是正確的代碼？

類似的代碼還有：

class Cache {
    private static HashMap<String,Object> cache = new HashMap<>();

    public static Object getCacheValue(String key){
        return return cache.get(key);
    }

    public static HashMap<String,Object> getCache(String key){
        return cache;
    }

    public static void addCache(String key, Object object){
        cache.push(key, object);
    }
}

P.S.:以上代碼是我去年年底，再項目工程中看到的代碼，而且線上上運行著，千真萬確！

2. 分析問題所在

你問我：這錯在哪？如果我要回答，我會說：沒錯，你都沒錯。個人原因，我不喜歡程式員當面懟，因為我知道，大家都不容易，並且還知道：真的有問題那天，你知道痛了，你會主動改的，根本不用我說啥。當然，更嚴重的是，代碼中（恩，線上代碼），有人將states命名成了s，cache命名成了c，這我也說不了啥，什麼叫做“追求卓越”，可能每人心中都會有自己的詮釋吧。如果是下麵代碼出現在一個神不知鬼不覺的地方，請看：

class Controller {
    public void cache(){//1
        Status status = new Status();
        String[] allStatus = status.getStates();
        Cache.addCache("ALL_STATUS",allStatus);
    }

    public void modify(){//2
        String[] allStatus = (String[])Cache.getCacheValue("ALL_STATUS");
        allStatus[0] = null;// 也許變成了其他值，null是一種比較極端的情況
    }


    public String getFirstUpcaseStatus(){//3
        String[] allStatus = (String[])Cache.getCacheValue("ALL_STATUS");
        return allStatus[0].toUpperCase(); // oh no! NPE!
    }

    public void remove(){//4
        Cache.getCache().remove("ALL_STATUS");
    }
}
  • 1、2、3、4四個方法我們並不知道是什麼時候觸發的
  • 就是說時間順序上，有可能是4號方法首先被觸發，那1、2、3都將有問題
  • 即使4不被觸發，先1、2，後3，也是出問題的
  • 也許我們代碼寫的很複雜，例如在2號程式中調用了非常多的service，用了非常多的設計模式，最終我們將修改數組中的值
  • 也許我們知道問題所在不去修改數組中的狀態值，可是你能保證你能維護這個代碼一輩子嗎？
  • 以後交給兩個人維護，兩個人由於沒啥子追求，別人代碼不看，一個人在一邊修改了數組，而另一個人在另一邊使用了數組中的狀態值，後果不堪設想

3. 更加隱蔽式的危險發佈

下麵這種，新學到的一種危險性行為發佈：

public class ThisEscape{
    public ThisEscape(EventSource source){
        source.registerListener(e->doSomething(e));
    }
}

心得：請大家儘量使用Java8語法，整潔、大方、可擼（這是什麼鬼！）
思考：註意doSomething方法，會有什麼問題呢？

4. 構造器與構造者

  • 作為構造者不要在構造器裡面添加過多的邏輯，出錯之後，這個鍋你背不起！
  • 即使在一個構造器的最後一行，這個對象也是沒有沒初始化完成的！
  • this指針被髮布出去，後果不堪設想，對象沒初始化完成，而使用this指針。
  • 上面代碼，可以在doSomething方法內部使用ThisEscape.this來訪問父類
  • 如果父類沒有初始化完，而訪問父類，那將報錯，這就是問題所在

5.針對這種隱蔽式的情況，我們怎麼做

public class SafeListener {
    private final EventListener listener;

    private SafeListener() {
        listener = e->doSomething(e);
    }

    public static SafeListener newInstance(EventSource source){
        SafeListener safe = new SafeListener();
        source.registerListener(safe.listener);
        return source;
    }
}

6. 再舉例一些不安全發佈的例子


class Holder{
    // 曝露類屬性，大忌~
    public Holder holder;

    public void initialize(){
        holder = new Holder();
    }
}
//由於未被正確發佈，因此這個類可能出現故障
public class Holder{
    private int n;

    public Holder(int n){
        this.n = n;
    }

    public void assertSanity(){
        if(n != n){
            throw new Exception("initial erroe");
        }
    }
}

說明：拋出異常這個類是很玄乎的，因為線程可見性的原因，線程初次讀取n的時候是老的值，可是這之後n值被其他線程更新，這個線程再次讀取的時候，讀取到一個失效的值，這就是拋出異常的原因。可以見得普普通通的自身與自身的比較，在多線程的環境下，都是很有問題的！！

6-線程封閉

  • 常見的封閉模式：棧封閉。就是在局部方法中使用一個變數，而不把他暴露出去。另外我自己的理解，每次方法返回一個新對象，也是一種使用方式。
public int loadThe Ark(Collection<Animal> candidates){
    // 將animals封閉在方法內部
    SortedSet<Animal> animals;
    int numberParies = 0;
    Animal candidate = null;

    //針對animals容器進行各種統計

    return numberParise;

}
class Status {
    public String[] getStates(){
        //每次都返回新的對象數組
        return new String[]{"AA","BB","CC"};
    }
}
  • 另一種封閉模式：ThreadLocal模式。這種模式也比較常用，每次在web項目中保存session的時候，常常使用這種模式，來標記當前訪問線程的登陸情況。不過這個要註意的是，再web中使用TreadLocal容易導致溢出，具體的分析，請期待到springMVC系列。
private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>(){
    public Connection initialValue(){
        return DriverManager.getConnection(DB_URL);
    }
};
public static Connection getConnection(){
    return connectionHolder.get();
}

7-給出寫安全發佈的模式

  • 在靜態初始化函數中初始化一個對象引用
  • 將對象的引用保存到volatile類型的域或者AtomicReferance對象中
  • 將對象的引用保存到某個正確構造對象的final類型域中
  • 將對象的引用保存到一個由鎖保護的域中

二、不變性

滿足線程安全的另外一種方式，就是使用不可變對象。如果想要創建不可變對象的話，要滿足以下條件：

  • 對象創建以後其狀態就不能修改
  • 對象的所有域都是final類型
  • 對象是正確創建的（在對象的創建期間，this引用沒有溢出）

1. 基礎的不可能變模型

這種方式，有點像我在《CC》觀後感那篇文章中，講到的一個觀點：儘量對原始工具包中的類進行封裝，有節制的使用其中的功能。下麵代碼就展示了，再可變對象的基礎上構建不可變類


public final class ThreeStooges{
    //註意，這個stooges變數是可變的！
    private final Set<String> stooges = new HashSet<>();

    public ThreeStooges(){
        stooges.add("1");
        stooges.add("2");
        stooges.add("3");
    }

    public boolean isStooges(String name){
        return stooges.contains(name);
    }
}

2. 有點高端的貨：使用不可變對象與volatile保證線程同步

這裡使用了三個內在的基本功點：對象不可變、對象讀寫分離、對象可見性。上代碼：

class Value{
    private final BigInteger lastNumber;
    private final BigInteger[] lastFactors;

    public Value(BigInteger lastNumber, BigInteger[] factors){
        this.lastNumber = lastNumber;
        this.lastFactors = Arrays.copyOf(factors,factors.length);//這裡進行寫複製
    }
    public BigInteger[] getFactors(BigInteger i){
        if(lastNumber = null || !lastNumber.equals(i))
            return null;
        else
            return Arrays.copyOf(lastFactors,lastFactors.length);//這裡進行讀複製
    }
}

說明：由於每次初始化時候都進行類屬性的初始化，並與外界分離，因為factors數組每次都是複製一個副本進行初始化的！並且每次讀的時候，也是講數組對象進行複製分離。這樣，只要一初始化對象之後，實際上，類對象裡面的兩個類屬性都是不可變的了，因為全部與外界隔離了

下麵我們看看怎麼使用：

public class VolatileCacheFactorizer implements Servlet{
    private volatile Value cache = new Value(null,new BigInteger[0]);

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp){
        BigInteger i = extractFromRequest(req);
        BigInteger[] factors = cache.getFactors(i);
        if(factors == null){
            factors = factor(i);
            cache = new Value(i,factors);
        }
        encodeIntoResponse(resp,factors);
    }
}

說明：這裡cache類屬性使用volatile，保證多線程寫入的時候，都能夠同步到主記憶體中，在這種情況下，多線程即是可見的，而通過Value對象的不變性又保證了對cache對象訪問的安全性，那這樣，整個service就是線程安全的了！

三、設計線程安全的類

這一部分，我看書中涉及到很多名詞，需要上網搜搜資料看看解釋，否則讀這一部分會很懵逼。我下麵從一些名詞解釋入手來說說這一章。

1. 什麼叫做監視器模式

乍看之下還以為這是一種設計模式，的確是一種設計模式！不過還想不起來是什麼樣子的。我一google才發現是非常簡單的，其實就是一段互斥訪問的代碼段（管程）：

class SynClass{
    private long value = 0;

    public synchronized long getValue(){
        return value;
    }

    public synchronized long increment(){
        if(value == Long.MAX_VALUE)
            throw new IllegalStateException("counter overflow");
        return ++value;
    }
}

說明：加了synchronized關鍵字的代碼段，就相當一個屋子，每次只允許一個線程訪問，如果訪問有需求了，還可能進行掛起工作，那監視器是誰能？監視器就是對象本身，synchronized是加鎖操作，這個鎖也是這個對象持有的一個內部鎖，如果要掛起代碼，可是使用對象本身就天然繼承自Object的wait方法，這就是監視器的作用。我看網上解釋說：監視器（其實就是每個對象自己，因為每個對象都繼承了Object）就像一個屋子的管理者，然後把對象這個“屋子”分成了三個地方：互斥訪問區域、準備訪問的區域和等待區域。

2. 什麼叫做先驗條件和後驗條件

  • 先驗條件(precondition):針對方法（method），它規定了在調用該方法之前必須為真的條件。
  • 後驗條件(postcondition):也是針對方法，它規定了方法順利執行完畢之後必須為真的條件。

3. 設計線程安全的類的三要素

  • 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管理策略

4. 什麼叫做不變性條件

這個也是要做一定解釋：程式在一系列的操作之後，還能夠滿足自己的先驗條件和後驗條件的，就叫做不變性條件（這個理解有點困難，大致我自己的想法是這樣）

5. 收集同步的需求

class SafeClass{
    private long value = 0;

    public synchronized long increment(){
        if(value == Long.MAX_VALUE)
            throw new IllegalStateException("counter overflow");
        return ++value;
    }
}
  • 我們要做的，確定本類中的那些狀態，會再多線程的操作下影響對象的不變性
  • 如果一個狀態轉變是依賴於前一個狀態的話，那就會複合操作，需要同步機制
  • 當然，有些狀態轉變不依賴之前，例如溫度
  • 上例中increment加上了synchronized就是一種保護程式不變性與後驗條件的機制

6. 註意狀態的所有權

舉個簡單的例子

class Owner{
    private SunChild sub;
}

其實這個sub對象就是Owner所擁有的一個子對象，所有權歸Owner。但是如果加上如下代碼

class Owner{
    private SunChild sub;

    SubChild getSub(){
        return sub;
    }

}

這種情況下，所有權就被髮布了出去，這樣的情況就要考慮同步機制進行保護。

註意：交出所有權的時候一定要多加思考程式的運行情景，以防不備！

7. 實例封閉

如果某個對象不是線程安全的，我們可以將其進行封裝，或者通過單一鎖進行保護。下麵是使用實例封閉模式進行的一種樣例：

public class PersonSet{
    private final Set<Person> mySet = new HashSet<>();//mySet本身並非線程安全

    public synchronized void addPerson(Person p){
        mySet.add(p)
    }
    public synchronized boolean contains(Person p){
        return mySet.contain(p);
    }
}

說明：將數據封裝在對象內部，可以將數據的訪問限制在對象的方法上，從而更容易確保線程再訪問數據時總能持有正確的鎖

8. 線程安全的又一方式：委托

委托，其實就是將對象的涉及到的影響可變性條件的狀態，放到JDK提供的一些線程安全的容器中去，進行統一管理。同樣也是一個簡單的例子：


public class Tracher{
    private final ConcurrentMap<String,Object> localMap;

    public Tracher(){
        localMap = new ConcurrentHashMap<>();
    }

    public Map<String,Object> getLocations(){
        return localMap;
    }
    public Object getLocation(String key){
        return lcoalMap.get(key);
    }
}

上面講統一使用ConcurrentMap進行管理。如果想要獲取一個不變的狀態的話，可以進行讀複製：

public Map<String,Object> getLocations(){
    return new ConcurrentHashMap<>(localMap);
}

9. 委托不是萬能的

過分依賴原子類所造成的“殘局”：

public class NumberRange {
    private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
    private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);

    public void setLower(int i){
        if(i>upper.get()){//註意這裡
            throw new Exception("error");
        }
        lower.set(i)
     }

     public AtomicInteger getUpper(){
        return upper;
     }
}

說明：由於upper被暴露了出去，可是setLower方法內部進行了“先檢查後執行”的步驟，依賴於upper值，這樣，lower屬性的值就出現了不可預估性，原子操作沒達成，原子類失效了。可以使用加鎖來修改上述代碼

10. 特別需要註意的由委托引起的非線程安全

這種模式屬於一種叫做“客戶端加鎖”，其實就是寫程式中很不註意的，將內置鎖和屬性對象的鎖混淆所致，下麵是問題代碼：

public class ListHelper<E>{
    public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<E>());

    ...

    public synchronized boolean putIfAbsent(E e){
    //註意這裡synchronized使用的是內置鎖
        boolean absent = !list.contains(e);
        if(absent){
            //這裡add使用的是list對象裡面的同步鎖
            list.add(e);
        }
        return absent;
    }
}

兩種鎖並不一樣，導致並沒有對“先判斷再執行”進行同步操作，還是會存在不安全性問題。下麵是解決的方式：

public class ListHelper<E>{
    public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<E>());

    ...

    public boolean putIfAbsent(E e){
        synchronized (list){//統一使用屬性對象的鎖
            boolean absent = !list.contains(e);
            if(absent){
                list.add(e);
            }
            return absent;
        }
    }
}

四、總結

本次主要講了三個方面：

  • 對象的發佈
  • 不變性
  • 設計線程安全的類

相對來說比較枯燥，儘量都是用簡潔明瞭的例子來混合講解了，望給位看官多多包涵~哈哈哈。接下來要分享的東西，就會實用很多，涉及到JDK線程工具的良好實用（如閉鎖、FutureTask等），並且我在接下來的線程分享文章中，會每次安排一個大章節，逐步進行生活必備品之一的java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor源碼分析，敬請期待！


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