Java并发编程实战（chapter_2）（对象发布、不变性、设计线程安全类）

一、发布与溢出

“发布（Publish）”一个对象的意思是指，使对象能够在当前作用于之外的代码中使用。这个“之外”，尤为关键，各种出问题的地方，都是因为这个“之外”所引起的。例如，如果在对象构造完成之前就发布该对象，就会破坏线程安全性。当某个不应该发布的对象被发布时，这种情况就被称为“溢出”。下面使用简单的例子进行说明：

1. 日常非常不注意的行为

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

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

思考：很多人会不服的来争吵：这特么哪里有问题，跑了这么久的线上了，一直没出问题啊！好，那么问题了来：是不是线上一直没问题的代码，就是好代码？就是正确的代码？

类似的代码还有：

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.:以上代码是我去年年底，再项目工程中看到的代码，而且在线上运行着，千真万确！

2. 分析问题所在

你问我：这错在哪？如果我要回答，我会说：没错，你都没错。个人原因，我不喜欢程序员当面怼，因为我知道，大家都不容易，并且还知道：真的有问题那天，你知道痛了，你会主动改的，根本不用我说啥。当然，更严重的是，代码中（恩，线上代码），有人将states命名成了s，cache命名成了c，这我也说不了啥，什么叫做“追求卓越”，可能每人心中都会有自己的诠释吧。如果是下面代码出现在一个神不知鬼不觉的地方，请看：

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;// 也许变成了其他值，null是一种比较极端的情况
    }


    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、4四个方法我们并不知道是什么时候触发的
• 就是说时间顺序上，有可能是4号方法首先被触发，那1、2、3都将有问题
• 即使4不被触发，先1、2，后3，也是出问题的
• 也许我们代码写的很复杂，例如在2号程序中调用了非常多的service，用了非常多的设计模式，最终我们将修改数组中的值
• 也许我们知道问题所在不去修改数组中的状态值，可是你能保证你能维护这个代码一辈子吗？
• 以后交给两个人维护，两个人由于没啥子追求，别人代码不看，一个人在一边修改了数组，而另一个人在另一边使用了数组中的状态值，后果不堪设想

3. 更加隐蔽式的危险发布

下面这种，新学到的一种危险性行为发布：

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

心得：请大家尽量使用Java8语法，整洁、大方、可撸（这是什么鬼！） 思考：注意doSomething方法，会有什么问题呢？

4. 构造器与构造者

• 作为构造者不要在构造器里面添加过多的逻辑，出错之后，这个锅你背不起！
• 即使在一个构造器的最后一行，这个对象也是没有没初始化完成的！
• this指针被发布出去，后果不堪设想，对象没初始化完成，而使用this指针。
• 上面代码，可以在doSomething方法内部使用ThisEscape.this来访问父类
• 如果父类没有初始化完，而访问父类，那将报错，这就是问题所在

5.针对这种隐蔽式的情况，我们怎么做

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;
    }
}

5. 再举例一些不安全发布的例子

class Holder{
    // 曝露类属性，大忌~
    public Holder holder;

    public void initialize(){
        holder = new Holder();
    }
}

//由于未被正确发布，因此这个类可能出现故障
public class Holder{
    private int n;

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

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

说明：抛出异常这个类是很玄乎的，因为线程可见性的原因，线程初次读取n的时候是老的值，可是这之后n值被其他线程更新，这个线程再次读取的时候，读取到一个失效的值，这就是抛出异常的原因。可以见得普普通通的自身与自身的比较，在多线程的环境下，都是很有问题的！！

6. 线程封闭

• 常见的封闭模式：栈封闭。就是在局部方法中使用一个变量，而不把他暴露出去。另外我自己的理解，每次方法返回一个新对象，也是一种使用方式。

public int loadThe Ark(Collection<Animal> candidates){
    // 将animals封闭在方法内部
    SortedSet<Animal> animals;
    int numberParies = 0;
    Animal candidate = null;

    //针对animals容器进行各种统计

    return numberParise;

}

class Status {
    public String[] getStates(){
        //每次都返回新的对象数组
        return new String[]{"AA","BB","CC"};
    }
}

• 另一种封闭模式：ThreadLocal模式。这种模式也比较常用，每次在web项目中保存session的时候，常常使用这种模式，来标记当前访问线程的登陆情况。不过这个要注意的是，再web中使用TreadLocal容易导致溢出，具体的分析，请期待到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. 给出写安全发布的模式

• 在静态初始化函数中初始化一个对象引用
• 将对象的引用保存到volatile类型的域或者AtomicReferance对象中
• 将对象的引用保存到某个正确构造对象的final类型域中
• 将对象的引用保存到一个由锁保护的域中

二、不变性

满足线程安全的另外一种方式，就是使用不可变对象。如果想要创建不可变对象的话，要满足以下条件：

• 对象创建以后其状态就不能修改
• 对象的所有域都是final类型
• 对象是正确创建的（在对象的创建期间，this引用没有溢出）

1. 基础的不可能变模型

这种方式，有点像我在《CC》观后感那篇文章中，讲到的一个观点：尽量对原始工具包中的类进行封装，有节制的使用其中的功能。下面代码就展示了，再可变对象的基础上构建不可变类

public final class ThreeStooges{
    //注意，这个stooges变量是可变的！
    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. 有点高端的货：使用不可变对象与volatile保证线程同步

这里使用了三个内在的基本功点：对象不可变、对象读写分离、对象可见性。上代码：

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);//这里进行写复制
    }
    public BigInteger[] getFactors(BigInteger i){
        if(lastNumber = null || !lastNumber.equals(i))
            return null;
        else
            return Arrays.copyOf(lastFactors,lastFactors.length);//这里进行读复制
    }
}

说明：由于每次初始化时候都进行类属性的初始化，并与外界分离，因为factors数组每次都是复制一个副本进行初始化的！并且每次读的时候，也是讲数组对象进行复制分离。这样，只要一初始化对象之后，实际上，类对象里面的两个类属性都是不可变的了，因为全部与外界隔离了

下面我们看看怎么使用：

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);
    }
}

说明：这里cache类属性使用volatile，保证多线程写入的时候，都能够同步到主内存中，在这种情况下，多线程即是可见的，而通过Value对象的不变性又保证了对cache对象访问的安全性，那这样，整个service就是线程安全的了！

三、设计线程安全的类

这一部分，我看书中涉及到很多名词，需要上网搜搜资料看看解释，否则读这一部分会很懵逼。我下面从一些名词解释入手来说说这一章。

1. 什么叫做监视器模式

乍看之下还以为这是一种设计模式，的确是一种设计模式！不过还想不起来是什么样子的。我一google才发现是非常简单的，其实就是一段互斥访问的代码段（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;
    }
}

说明：加了synchronized关键字的代码段，就相当一个屋子，每次只允许一个线程访问，如果访问有需求了，还可能进行挂起工作，那监视器是谁能？监视器就是对象本身，synchronized是加锁操作，这个锁也是这个对象持有的一个内部锁，如果要挂起代码，可是使用对象本身就天然继承自Object的wait方法，这就是监视器的作用。我看网上解释说：监视器（其实就是每个对象自己，因为每个对象都继承了Object）就像一个屋子的管理者，然后把对象这个“屋子”分成了三个地方：互斥访问区域、准备访问的区域和等待区域。

2. 什么叫做先验条件和后验条件

• 先验条件(precondition):针对方法（method），它规定了在调用该方法之前必须为真的条件。
• 后验条件(postcondition):也是针对方法，它规定了方法顺利执行完毕之后必须为真的条件。

3. 设计线程安全的类的三要素

• 找出构成对象状态的所有变量
• 找出约束状态变量的不变性条件
• 建立对象状态的并发访问管理策略

4. 什么叫做不变性条件

这个也是要做一定解释：程序在一系列的操作之后，还能够满足自己的先验条件和后验条件的，就叫做不变性条件（这个理解有点困难，大致我自己的想法是这样）

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;
    }
}

• 我们要做的，确定本类中的那些状态，会再多线程的操作下影响对象的不变性
• 如果一个状态转变是依赖于前一个状态的话，那就会复合操作，需要同步机制
• 当然，有些状态转变不依赖之前，例如温度
• 上例中increment加上了synchronized就是一种保护程序不变性与后验条件的机制

6. 注意状态的所有权

举个简单的例子

class Owner{
    private SunChild sub;
}

其实这个sub对象就是Owner所拥有的一个子对象，所有权归Owner。但是如果加上如下代码

class Owner{
    private SunChild sub;

    SubChild getSub(){
        return sub;
    }

}

这种情况下，所有权就被发布了出去，这样的情况就要考虑同步机制进行保护。

注意：交出所有权的时候一定要多加思考程序的运行情景，以防不备！

7. 实例封闭

如果某个对象不是线程安全的，我们可以将其进行封装，或者通过单一锁进行保护。下面是使用实例封闭模式进行的一种样例：

public class PersonSet{
    private final Set<Person> mySet = new HashSet<>();//mySet本身并非线程安全

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

说明：将数据封装在对象内部，可以将数据的访问限制在对象的方法上，从而更容易确保线程再访问数据时总能持有正确的锁

8. 线程安全的又一方式：委托

委托，其实就是将对象的涉及到的影响可变性条件的状态，放到JDK提供的一些线程安全的容器中去，进行统一管理。同样也是一个简单的例子：

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);
    }
}

上面讲统一使用ConcurrentMap进行管理。如果想要获取一个不变的状态的话，可以进行读复制：

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

9. 委托不是万能的

过分依赖原子类所造成的“残局”：

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()){//注意这里
            throw new Exception("error");
        }
        lower.set(i)
     }

     public AtomicInteger getUpper(){
        return upper;
     }
}

说明：由于upper被暴露了出去，可是setLower方法内部进行了“先检查后执行”的步骤，依赖于upper值，这样，lower属性的值就出现了不可预估性，原子操作没达成，原子类失效了。可以使用加锁来修改上述代码

10. 特别需要注意的由委托引起的非线程安全

这种模式属于一种叫做“客户端加锁”，其实就是写程序中很不注意的，将内置锁和属性对象的锁混淆所致，下面是问题代码：

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

    ...

    public synchronized boolean putIfAbsent(E e){
    //注意这里synchronized使用的是内置锁
        boolean absent = !list.contains(e);
        if(absent){
            //这里add使用的是list对象里面的同步锁
            list.add(e);
        }
        return absent;
    }
}

两种锁并不一样，导致并没有对“先判断再执行”进行同步操作，还是会存在不安全性问题。下面是解决的方式：

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

    ...

    public boolean putIfAbsent(E e){
        synchronized (list){//统一使用属性对象的锁
            boolean absent = !list.contains(e);
            if(absent){
                list.add(e);
            }
            return absent;
        }
    }
}

四、总结

本次主要讲了三个方面：

• 对象的发布
• 不变性
• 设计线程安全的类

相对来说比较枯燥，尽量都是用简洁明了的例子来混合讲解了，望给位看官多多包涵~哈哈哈。接下来要分享的东西，就会实用很多，涉及到JDK线程工具的良好实用（如闭锁、FutureTask等），并且我在接下来的线程分享文章中，会每次安排一个大章节，逐步进行生活必备品之一的java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor源码分析，敬请期待！