[Java 并发编程实战] 设计线程安全的类的三个方式(含代码)
發奮忘食，樂以忘優，不知老之將至?！墩撜Z》
前面幾篇已經介紹了關于線程安全和同步的相關知識，那么有了這些概念，我們就可以開始著手設計線程安全的類。本文將介紹構建線程安全類的幾個方法，并說明他的區別。
我要講的這幾個構建線程安全類的方式是：
另外，在設計線程安全類的過程中，我們需要考慮下面三個基本要素，遵循這三個步驟：
- 找出構成對象狀態的所有變量。
- 找出約束狀態變量的不變性條件。
- 建立對象狀態的并發訪問策略。
以上，就是這篇文章主要講解的內容，下面章節分三個構建方法逐步展開說明，逐個分析，并附上自己測試過的實例代碼，確保這篇文章分享的內容是經過驗證的。
實例封閉
意思是將數據封裝在對象內部，它將數據的訪問限制在對象的方法上，從而更容易確保線程在訪問數據時總能持有正確的鎖。當一個非線程安全對象被封裝到另一對象中時，能夠訪問被封裝對象的所有代碼路徑都是已知的。這和在整個程序中直接訪問非線程對象相比，更易于對代碼進行分析。下面代碼清單就是一個實例封閉的例子：
1import java.util.ArrayList;2
3//ThreadSafe
4public class PointList{
5
6 //非線程安全對象 myList
7 private final ArrayList<SafePoint> myList = new ArrayList<SafePoint>();
8
9 //所有訪問 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 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 myList 的方法都是用同步鎖，確保線程安全
18 //發布SafePoint
19 public synchronized SafePoint getPoint(int i) {
20 return myList.get(i);
21 }
22
23 //ThreadSafe(可發布的可變線程安全對象)
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 的狀態由 ArrayList 來管理，但是 ArrayList 并非線程安全的。由于 ArrayList 私有并且不會逸出，因此 ArrayList 被封閉在 PointList 中。唯一能夠訪問 ArrayList 的路徑都上同步鎖了，也就是說 ArrayList 的狀態完全有 PointList 內置鎖保護，因而 PointList 是一個線程安全的類。Point 類的安全性放到后面討論。
從這里例子可以看出，實例封閉可以非常簡單的構建出線程安全的類。封閉機制更易于構造線程安全的類，因為當封閉類的狀態時，在分析類的線程安全性時就無需檢查整個程序。當然，如果將一個本該封閉的對象發布出去，那么也會破壞封閉性。
線程安全性的委托
如果類中的各個狀態已經是線程安全的，那么是否需要再增加一個線程安全層的封裝呢？
具體問題具體分析，這種需要視情況而定。
1） 如果各個狀態變量是相互獨立的并且互不依賴，并且沒有復合操作，那么可以將線程安全性委托給底層的狀態變量。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 //返回一個唯一的數值
6 public synchronized int getNext(){
7 return value.incrementAndGet();
8 }
9}
2） 如果各個狀態變量之間存在依賴關系，并且存在復合操作，那么是非線程安全的。來看下面一個例子，NumberRange 這個類的各個狀態組成部分都是線程安全的，但是存在狀態之間的依賴關系，并非互相獨立，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
7 private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);//線程安全類
8
9 private static boolean flag = true;
10
11 private static volatile boolean stopAllThread = false; //檢測到無效狀態，停止所有線程并輸出，此時lower > upper
12
13 private static int count = 3; //非線程安全，但是不必理會，不影響我們測試
14
15 //檢查然后更新
16 public void setLower(int i) {
17 if(i <= upper.get()) { //lower依賴upper的值，有可能upper的值已經失效
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lower的值，有可能lower的值已經失效
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，并發的情況下我們可以檢測到無效狀態，即 upper 的值大于 lower 的值。這便是不滿足我們的不變性條件，因為狀態變量 lower 和 upper 不是彼此獨立的，因此 NumberRange 不能將線程安全委托給他的線程安全狀態變量。輸出如下：
這里寫圖片描述
3） 如何安全的發布底層的狀態變量？
如果一個狀態變量是線程安全的，并且沒有任何不變性條件來約束他的值，在變量操作上也不存在任何不允許的狀態轉換，那么就可以安全的發布這個變量。在示例封閉的代碼清單中，SafePoint 是一個可變的且線程安全的類，我們可以安全的發布它。
現有的線程安全類添加功能
Java 的類庫中，已經包含了很多線程安全的基礎模塊。通常，我們可以直接拿來重用，并不需要重復造輪子。重用已有的類庫，可以有效降低開發的工作量，開發風險以及維護成本。下面將講解三種方式來增加新方法，組合方式將是最優的方法。我們應當避免使用前兩種方式，而所用最后一種方式。
通過繼承基類添加功能（擴展類方式）
假設，我們需要對 Vector 擴展，添加一個[若沒有則添加]的操作。我們想到的最直接的方法應該是修改原始類，但是通常是無法做到的，因為我們極有可能沒法訪問或修改類的源代碼。
現在采用另一種方式，通過繼承基類的方式擴展這個類并添加一個新方法 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新的方法。然而，這比直接在基類代碼增加新方法更加脆弱，因為現在的同步策略被分布到多個源碼文件中。如果底層的類修改了同步策略并選擇不同的鎖來保護，那么子類將會失效，不能保證線程安全。
客戶端加鎖機制
同樣，來增加一個新方法 putIfAbsent，請看下面代碼：
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}
這種方式并不能實現線程安全,它的問題在于同步的時候使用了錯誤的鎖。因為 List 本身用的鎖肯定不是 ListHelper 上的鎖，這意味著 putIfAbsent 相對于其他 List 的方法來說并不是同步的。所以看起來同步了實際上卻沒有什么卵用。
要使這個方法能夠正確同步，必須在客戶端加鎖。即對于使用某個對象 X 的客戶端代碼，使用 X 本身用于保護其狀態的鎖來保護這段客戶代碼。要使用客戶端加鎖，你必須知道對象 X 使用的是哪個鎖。
在 Vector 和同步封裝器的文檔中指出，他們通過使用 Vector 或封裝器容器的內置鎖來支持客戶端加鎖。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) {//客戶端加鎖
11 boolean absent = !list.contains(x);
12 if(absent)
13 list.add(x);
14 return absent;
15 }
16 }
17}
客戶端加鎖方式是很脆弱的加鎖方式，意味他將類 C 的加鎖代碼放到與 C 完全無關的其他類中。所以在使用客戶端加鎖時，需要特別小心。
客戶端加鎖機制和擴展類機制有許多共同點，二者都是講派生類的行為與基類的實現耦合在一起，會破壞實現的封裝性和同步策略的封裝性。
組合
相比前面兩種機制，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 對象，然后自己繼承 List 接口的所有方法并對他們加上同步鎖。
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置鎖，它不用關心底層的 List 是否線程安全或者底層 List 修改了他自己的加鎖實現，ImprovedList 都能構提供一致的加鎖機制來實現線程安全性。當然，加多一層鎖會導致性能損失，但是 ImprovedList 相比前面兩種方式也更加健壯。
上面就是構建安全類的所有內容，希望對你有所幫助，謝謝！！
轉載于:https://www.cnblogs.com/seaicelin/p/9148746.html
總結
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)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
- 上一篇： Django:Admin，Cookie，
- 下一篇： 实现Java集合迭代的高性能