Day847.Immutability模式 -Java 并发编程实战

Posted 阿昌喜欢吃黄桃

tags:

篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Day847.Immutability模式 -Java 并发编程实战相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

Immutability模式

Hi,我是阿昌,今天学习记录的是关于Immutability模式的内容。

“多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题”,这里的必要条件之一是读写,如果只有读,而没有写,是没有并发问题的。

解决并发问题,其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作,而没有写操作。

这个办法如此重要,以至于被上升到了一种解决并发问题的设计模式:不变性(Immutability)模式

所谓不变性,简单来讲,就是对象一旦被创建之后,状态就不再发生变化。

换句话说,就是变量一旦被赋值,就不允许修改了(没有写操作);
没有修改操作,也就是保持了不变性


一、快速实现具备不可变性的类

实现一个具备不可变性的类,还是挺简单的。
将一个类所有的属性都设置成 final 的,并且只允许存在只读方法,那么这个类基本上就具备不可变性了。更严格的做法是这个类本身也是 final 的,也就是不允许继承

因为子类可以覆盖父类的方法,有可能改变不可变性,所以推荐在实际工作中,使用这种更严格的做法。

Java SDK 里很多类都具备不可变性,只是由于它们的使用太简单,最后反而被忽略了。

例如经常用到的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性,这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。

如果仔细翻看这些类的声明、属性和方法,你会发现它们都严格遵守不可变类的三点要求:类和属性都是 final 的,所有方法均是只读的。

Java 的 String 方法也有类似字符替换操作,怎么能说所有方法都是只读的呢?

结合 String 的源代码来解释一下这个问题,下面的示例代码源自 Java 1.8 SDK,略做了修改,仅保留了关键属性 value[]和 replace() 方法,会发现:

String 这个类以及它的属性 value[]都是 final 的;
replace() 方法的实现,就的确没有修改 value[],而是将替换后的字符串作为返回值返回了。

public final class String 
  private final char value[];
  // 字符替换
  String replace(char oldChar, 
      char newChar) 
    //无需替换,直接返回this  
    if (oldChar == newChar)
      return this;
    

    int len = value.length;
    int i = -1;
    /* avoid getfield opcode */
    char[] val = value; 
    //定位到需要替换的字符位置
    while (++i < len) 
      if (val[i] == oldChar) 
        break;
      
    
    //未找到oldChar,无需替换
    if (i >= len) 
      return this;
     
    //创建一个buf[],这是关键
    //用来保存替换后的字符串
    char buf[] = new char[len];
    for (int j = 0; j < i; j++) 
      buf[j] = val[j];
    
    while (i < len) 
      char c = val[i];
      buf[i] = (c == oldChar) ? 
        newChar : c;
      i++;
    
    //创建一个新的字符串返回
    //原字符串不会发生任何变化
    return new String(buf, true);
  

通过分析 String 的实现,可能已经发现了,如果具备不可变性的类,需要提供类似修改的功能,具体该怎么操作呢?

做法很简单,那就是创建一个新的不可变对象,这是与可变对象的一个重要区别,可变对象往往是修改自己的属性。

所有的修改操作都创建一个新的不可变对象,你可能会有这种担心:

是不是创建的对象太多了,有点太浪费内存呢?

是的,这样做的确有些浪费,那如何解决呢?


二、利用享元模式避免创建重复对象

如果熟悉面向对象相关的设计模式,相信你一定能想到享元模式(Flyweight Pattern)。

利用享元模式可以减少创建对象的数量,从而减少内存占用。Java 语言里面 Long、Integer、Short、Byte 等这些基本数据类型的包装类都用到了享元模式。

下面以 Long 这个类作为例子,看看它是如何利用享元模式来优化对象的创建的。

享元模式本质上其实就是一个对象池,利用享元模式创建对象的逻辑也很简单:

创建之前,首先去对象池里看看是不是存在;
如果已经存在,就利用对象池里的对象;
如果不存在,就会新创建一个对象,并且把这个新创建出来的对象放进对象池里。

Long 这个类并没有照搬享元模式,Long 内部维护了一个静态的对象池,仅缓存了[-128,127]之间的数字,这个对象池在 JVM 启动的时候就创建好了,而且这个对象池一直都不会变化,也就是说它是静态的。

之所以采用这样的设计,是因为 Long 这个对象的状态共有 264 种,实在太多,不宜全部缓存,而[-128,127]之间的数字利用率最高。

下面的示例代码出自 Java 1.8,valueOf() 方法就用到了 LongCache 这个缓存。


Long valueOf(long l) 
  final int offset = 128;
  // [-128,127]直接的数字做了缓存
  if (l >= -128 && l <= 127)  
    return LongCache
      .cache[(int)l + offset];
  
  return new Long(l);

//缓存,等价于对象池
//仅缓存[-128,127]直接的数字
static class LongCache 
  static final Long cache[] 
    = new Long[-(-128) + 127 + 1];

  static 
    for(int i=0; i<cache.length; i++)
      cache[i] = new Long(i-128);
  

Integer 和 String 类型的对象不适合做锁”,其实基本上所有的基础类型的包装类都不适合做锁,因为它们内部用到了享元模式,这会导致看上去私有的锁,其实是共有的。

例如在下面代码中,本意是 A 用锁 al,B 用锁 bl,各自管理各自的,互不影响。

但实际上 al 和 bl 是一个对象,结果 A 和 B 共用的是一把锁。


class A 
  Long al=Long.valueOf(1);
  public void setAX()
    synchronized (al) 
      //省略代码无数
    
  

class B 
  Long bl=Long.valueOf(1);
  public void setBY()
    synchronized (bl) 
      //省略代码无数
    
  


三、使用 Immutability 模式的注意事项

在使用 Immutability 模式的时候,需要注意以下两点:

  1. 对象的所有属性都是 final 的,并不能保证不可变性;
  2. 不可变对象也需要正确发布。

在 Java 语言中,final 修饰的属性一旦被赋值,就不可以再修改,但是如果属性的类型是普通对象,那么这个普通对象的属性是可以被修改的。

例如下面的代码中,Bar 的属性 foo 虽然是 final 的,依然可以通过 setAge() 方法来设置 foo 的属性 age。

所以,在使用 Immutability 模式的时候一定要确认保持不变性的边界在哪里,是否要求属性对象也具备不可变性。


class Foo
  int age=0;
  int name="abc";

final class Bar 
  final Foo foo;
  void setAge(int a)
    foo.age=a;
  

下面再看看如何正确地发布不可变对象。

不可变对象虽然是线程安全的,但是并不意味着引用这些不可变对象的对象就是线程安全的。

例如在下面的代码中,Foo 具备不可变性,线程安全,但是类 Bar 并不是线程安全的,类 Bar 中持有对 Foo 的引用 foo,对 foo 这个引用的修改在多线程中并不能保证可见性和原子性。


//Foo线程安全
final class Foo
  final int age=0;
  final int name="abc";

//Bar线程不安全
class Bar 
  Foo foo;
  void setFoo(Foo f)
    this.foo=f;
  

如果程序仅仅需要 foo 保持可见性,无需保证原子性,那么可以将 foo 声明为 volatile 变量,这样就能保证可见性。

如果程序需要保证原子性,那么可以通过原子类来实现。

下面的示例代码是合理库存的原子化实现,其中就是用原子类解决了不可变对象引用的原子性问题。

public class SafeWM 
  class WMRange
    final int upper;
    final int lower;
    WMRange(int upper,int lower)
    //省略构造函数实现
    
  
  final AtomicReference<WMRange>
    rf = new AtomicReference<>(
      new WMRange(0,0)
    );
  // 设置库存上限
  void setUpper(int v)
    while(true)
      WMRange or = rf.get();
      // 检查参数合法性
      if(v < or.lower)
        throw new IllegalArgumentException();
      
      WMRange nr = new
          WMRange(v, or.lower);
      if(rf.compareAndSet(or, nr))
        return;
      
    
  


四、总结

利用 Immutability 模式解决并发问题,也许你觉得有点陌生,其实天天都在享受它的战果。

Java 语言里面的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性,这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。

Immutability 模式是最简单的解决并发问题的方法,建议当你试图解决一个并发问题时,可以首先尝试一下 Immutability 模式,看是否能够快速解决。

具备不变性的对象,只有一种状态,这个状态由对象内部所有的不变属性共同决定。其实还有一种更简单的不变性对象,那就是无状态。

无状态对象内部没有属性,只有方法。除了无状态的对象,你可能还听说过无状态的服务、无状态的协议等等。无状态有很多好处,最核心的一点就是性能。

在多线程领域,无状态对象没有线程安全问题,无需同步处理,自然性能很好;
在分布式领域,无状态意味着可以无限地水平扩展,所以分布式领域里面性能的瓶颈一定不是出在无状态的服务节点上。

  1. 不可变类的特点:类、属性都是final的,方法是只读的
  2. 为了解决有些不可变类每次创建一个新对象导致内存浪费的问题:享元模式/对象池
  3. 注意事项:区别引用不可变和实际内容不可变
  4. 更简单的不可变对象:无状态对象

下面的示例代码中,Account 的属性是 final 的,并且只有 get 方法,那这个类是不是具备不可变性呢?

public final class Account
  private final StringBuffer user;
  public Account(String user)
    this.user = new StringBuffer(user);
  
  
  public StringBuffer getUser()
    return this.user;
  
  public String toString()
    return "user"+user;
  

这段代码应该是线程安全的,但它不是不可变模式。
StringBuffer只是字段引用不可变,值是可以调用StringBuffer的方法改变的,这个需要改成把字段改成String这样的不可变对象来解决。

StingBuffer 是 引用 类型, 当我们说它final StingBuffer user 不可变时,实际上说的是它user指向堆内存的地址不可变, 但堆内存的user对象,通过sub append 方法实际是可变的……


以上是关于Day847.Immutability模式 -Java 并发编程实战的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

Activity的启动模式(day02)

Python3.X全栈-Day06-IP地址以及虚拟机网络模式初识

Python3.X全栈-Day07-IP地址以及虚拟机网络模式初识

day2

设计模式Day02

设计模式Day01