Day847.Immutability模式 -Java 并发编程实战
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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:
- 对象的所有属性都是 final 的,并不能保证不可变性;
- 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。
- 不可变类的特点:类、属性都是final的,方法是只读的
- 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
- 注意事项:区别引用不可变和实际内容不可变
- 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
Python3.X全栈-Day06-IP地址以及虚拟机网络模式初识