[Java 并发编程实战] 设计线程安全的类的三个方式(含代码)
發(fā)奮忘食，樂(lè)以忘優(yōu)，不知老之將至。———《論語(yǔ)》
前面幾篇已經(jīng)介紹了關(guān)于線程安全和同步的相關(guān)知識(shí)，那么有了這些概念，我們就可以開(kāi)始著手設(shè)計(jì)線程安全的類(lèi)。本文將介紹構(gòu)建線程安全類(lèi)的幾個(gè)方法，并說(shuō)明他的區(qū)別。
我要講的這幾個(gè)構(gòu)建線程安全類(lèi)的方式是：
另外，在設(shè)計(jì)線程安全類(lèi)的過(guò)程中，我們需要考慮下面三個(gè)基本要素，遵循這三個(gè)步驟：
- 找出構(gòu)成對(duì)象狀態(tài)的所有變量。
- 找出約束狀態(tài)變量的不變性條件。
- 建立對(duì)象狀態(tài)的并發(fā)訪問(wèn)策略。
以上，就是這篇文章主要講解的內(nèi)容，下面章節(jié)分三個(gè)構(gòu)建方法逐步展開(kāi)說(shuō)明，逐個(gè)分析，并附上自己測(cè)試過(guò)的實(shí)例代碼，確保這篇文章分享的內(nèi)容是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的。
實(shí)例封閉
意思是將數(shù)據(jù)封裝在對(duì)象內(nèi)部，它將數(shù)據(jù)的訪問(wèn)限制在對(duì)象的方法上，從而更容易確保線程在訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)總能持有正確的鎖。當(dāng)一個(gè)非線程安全對(duì)象被封裝到另一對(duì)象中時(shí)，能夠訪問(wèn)被封裝對(duì)象的所有代碼路徑都是已知的。這和在整個(gè)程序中直接訪問(wèn)非線程對(duì)象相比，更易于對(duì)代碼進(jìn)行分析。下面代碼清單就是一個(gè)實(shí)例封閉的例子：
1import java.util.ArrayList;2
3//ThreadSafe
4public class PointList{
5
6 //非線程安全對(duì)象 myList
7 private final ArrayList<SafePoint> myList = new ArrayList<SafePoint>();
8
9 //所有訪問(wèn) 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(wèn) 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(wèn) myList 的方法都是用同步鎖，確保線程安全
18 //發(fā)布SafePoint
19 public synchronized SafePoint getPoint(int i) {
20 return myList.get(i);
21 }
22
23 //ThreadSafe(可發(fā)布的可變線程安全對(duì)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(tài)由 ArrayList 來(lái)管理，但是 ArrayList 并非線程安全的。由于 ArrayList 私有并且不會(huì)逸出，因此 ArrayList 被封閉在 PointList 中。唯一能夠訪問(wèn) ArrayList 的路徑都上同步鎖了，也就是說(shuō) ArrayList 的狀態(tài)完全有 PointList 內(nèi)置鎖保護(hù)，因而 PointList 是一個(gè)線程安全的類(lèi)。Point 類(lèi)的安全性放到后面討論。
從這里例子可以看出，實(shí)例封閉可以非常簡(jiǎn)單的構(gòu)建出線程安全的類(lèi)。封閉機(jī)制更易于構(gòu)造線程安全的類(lèi)，因?yàn)楫?dāng)封閉類(lèi)的狀態(tài)時(shí)，在分析類(lèi)的線程安全性時(shí)就無(wú)需檢查整個(gè)程序。當(dāng)然，如果將一個(gè)本該封閉的對(duì)象發(fā)布出去，那么也會(huì)破壞封閉性。
線程安全性的委托
如果類(lèi)中的各個(gè)狀態(tài)已經(jīng)是線程安全的，那么是否需要再增加一個(gè)線程安全層的封裝呢？
具體問(wèn)題具體分析，這種需要視情況而定。
1） 如果各個(gè)狀態(tài)變量是相互獨(dú)立的并且互不依賴(lài)，并且沒(méi)有復(fù)合操作，那么可以將線程安全性委托給底層的狀態(tài)變量。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(gè)唯一的數(shù)值
6 public synchronized int getNext(){
7 return value.incrementAndGet();
8 }
9}
2） 如果各個(gè)狀態(tài)變量之間存在依賴(lài)關(guān)系，并且存在復(fù)合操作，那么是非線程安全的。來(lái)看下面一個(gè)例子，NumberRange 這個(gè)類(lèi)的各個(gè)狀態(tài)組成部分都是線程安全的，但是存在狀態(tài)之間的依賴(lài)關(guān)系，并非互相獨(dú)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(lèi)
7 private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);//線程安全類(lèi)
8
9 private static boolean flag = true;
10
11 private static volatile boolean stopAllThread = false; //檢測(cè)到無(wú)效狀態(tài)，停止所有線程并輸出，此時(shí)lower > upper
12
13 private static int count = 3; //非線程安全，但是不必理會(huì)，不影響我們測(cè)試
14
15 //檢查然后更新
16 public void setLower(int i) {
17 if(i <= upper.get()) { //lower依賴(lài)upper的值，有可能upper的值已經(jīng)失效
18 lower.set(i);
19 }
20 }
21
22 //檢查然后更新
23 public void setUpper(int i) {
24 if(i >= lower.get()) { //upper依賴(lài)lower的值，有可能lower的值已經(jīng)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
在上面的程序中，并發(fā)的情況下我們可以檢測(cè)到無(wú)效狀態(tài)，即 upper 的值大于 lower 的值。這便是不滿(mǎn)足我們的不變性條件，因?yàn)闋顟B(tài)變量 lower 和 upper 不是彼此獨(dú)立的，因此 NumberRange 不能將線程安全委托給他的線程安全狀態(tài)變量。輸出如下：
這里寫(xiě)圖片描述
3） 如何安全的發(fā)布底層的狀態(tài)變量？
如果一個(gè)狀態(tài)變量是線程安全的，并且沒(méi)有任何不變性條件來(lái)約束他的值，在變量操作上也不存在任何不允許的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，那么就可以安全的發(fā)布這個(gè)變量。在示例封閉的代碼清單中，SafePoint 是一個(gè)可變的且線程安全的類(lèi)，我們可以安全的發(fā)布它。
現(xiàn)有的線程安全類(lèi)添加功能
Java 的類(lèi)庫(kù)中，已經(jīng)包含了很多線程安全的基礎(chǔ)模塊。通常，我們可以直接拿來(lái)重用，并不需要重復(fù)造輪子。重用已有的類(lèi)庫(kù)，可以有效降低開(kāi)發(fā)的工作量，開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)以及維護(hù)成本。下面將講解三種方式來(lái)增加新方法，組合方式將是最優(yōu)的方法。我們應(yīng)當(dāng)避免使用前兩種方式，而所用最后一種方式。
通過(guò)繼承基類(lèi)添加功能（擴(kuò)展類(lèi)方式）
假設(shè)，我們需要對(duì) Vector 擴(kuò)展，添加一個(gè)[若沒(méi)有則添加]的操作。我們想到的最直接的方法應(yīng)該是修改原始類(lèi)，但是通常是無(wú)法做到的，因?yàn)槲覀儤O有可能沒(méi)法訪問(wèn)或修改類(lèi)的源代碼。
現(xiàn)在采用另一種方式，通過(guò)繼承基類(lèi)的方式擴(kuò)展這個(gè)類(lèi)并添加一個(gè)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(gè)新的方法。然而，這比直接在基類(lèi)代碼增加新方法更加脆弱，因?yàn)楝F(xiàn)在的同步策略被分布到多個(gè)源碼文件中。如果底層的類(lèi)修改了同步策略并選擇不同的鎖來(lái)保護(hù)，那么子類(lèi)將會(huì)失效，不能保證線程安全。
客戶(hù)端加鎖機(jī)制
同樣，來(lái)增加一個(gè)新方法 putIfAbsent，請(qǐng)看下面代碼：
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(wú)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}
這種方式并不能實(shí)現(xiàn)線程安全,它的問(wèn)題在于同步的時(shí)候使用了錯(cuò)誤的鎖。因?yàn)?List 本身用的鎖肯定不是 ListHelper 上的鎖，這意味著 putIfAbsent 相對(duì)于其他 List 的方法來(lái)說(shuō)并不是同步的。所以看起來(lái)同步了實(shí)際上卻沒(méi)有什么卵用。
要使這個(gè)方法能夠正確同步，必須在客戶(hù)端加鎖。即對(duì)于使用某個(gè)對(duì)象 X 的客戶(hù)端代碼，使用 X 本身用于保護(hù)其狀態(tài)的鎖來(lái)保護(hù)這段客戶(hù)代碼。要使用客戶(hù)端加鎖，你必須知道對(duì)象 X 使用的是哪個(gè)鎖。
在 Vector 和同步封裝器的文檔中指出，他們通過(guò)使用 Vector 或封裝器容器的內(nèi)置鎖來(lái)支持客戶(hù)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(hù)端加鎖
11 boolean absent = !list.contains(x);
12 if(absent)
13 list.add(x);
14 return absent;
15 }
16 }
17}
客戶(hù)端加鎖方式是很脆弱的加鎖方式，意味他將類(lèi) C 的加鎖代碼放到與 C 完全無(wú)關(guān)的其他類(lèi)中。所以在使用客戶(hù)端加鎖時(shí)，需要特別小心。
客戶(hù)端加鎖機(jī)制和擴(kuò)展類(lèi)機(jī)制有許多共同點(diǎn)，二者都是講派生類(lèi)的行為與基類(lèi)的實(shí)現(xiàn)耦合在一起，會(huì)破壞實(shí)現(xiàn)的封裝性和同步策略的封裝性。
組合
相比前面兩種機(jī)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(duì)象，然后自己繼承 List 接口的所有方法并對(duì)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
ImprovedList 增加了一層自身的內(nèi)置鎖，它不用關(guān)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(shí)現(xiàn)，ImprovedList 都能構(gòu)提供一致的加鎖機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全性。當(dāng)然，加多一層鎖會(huì)導(dǎo)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(gòu)建安全類(lèi)的所有內(nèi)容，希望對(duì)你有所幫助，謝謝！！
轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/seaicelin/p/9148746.html
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的[Java 并发编程实战] 设计线程安全的类的三个方式(含代码)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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