Java并发教程–线程安全设计

在回顾了处理并发程序时的主要风险（如原子性或可见性）之后，我们将进行一些类设计，以帮助我们防止上述错误。其中一些设计导致了线程安全对象的构造，从而使我们可以在线程之间安全地共享它们。作为示例，我们将考虑不可变和无状态的对象。其他设计将阻止不同的线程修改相同的数据，例如线程局部变量。

您可以在github上查看所有源代码。

1.不可变的对象

不可变的对象具有状态（具有表示对象状态的数据），但是它是基于构造构建的，一旦实例化了对象，就无法修改状态。

尽管线程可以交错，但是对象只有一种可能的状态。由于所有字段都是只读的，因此没有一个线程可以更改对象的数据。因此，不可变对象本质上是线程安全的。

产品显示了一个不变类的示例。它在构建期间构建所有数据，并且其任何字段均不可修改：

public final class Product {private final String id;private final String name;private final double price;public Product(String id, String name, double price) {this.id = id;this.name = name;this.price = price;}public String getId() {return this.id;}public String getName() {return this.name;}public double getPrice() {return this.price;}public String toString() {return new StringBuilder(this.id).append("-").append(this.name).append(" (").append(this.price).append(")").toString();}public boolean equals(Object x) {if (this == x) return true;if (x == null) return false;if (this.getClass() != x.getClass()) return false;Product that = (Product) x;if (!this.id.equals(that.id)) return false;if (!this.name.equals(that.name)) return false;if (this.price != that.price) return false;return true;}public int hashCode() {int hash = 17;hash = 31 * hash + this.getId().hashCode();hash = 31 * hash + this.getName().hashCode();hash = 31 * hash + ((Double) this.getPrice()).hashCode();return hash;}
}

在某些情况下，将字段定为最终值还不够。例如，尽管所有字段都是最终的，但MutableProduct类不是不可变的：

public final class MutableProduct {private final String id;private final String name;private final double price;private final List<String> categories = new ArrayList<>();public MutableProduct(String id, String name, double price) {this.id = id;this.name = name;this.price = price;this.categories.add("A");this.categories.add("B");this.categories.add("C");}public String getId() {return this.id;}public String getName() {return this.name;}public double getPrice() {return this.price;}public List<String> getCategories() {return this.categories;}public List<String> getCategoriesUnmodifiable() {return Collections.unmodifiableList(categories);}public String toString() {return new StringBuilder(this.id).append("-").append(this.name).append(" (").append(this.price).append(")").toString();}
}

为什么以上类别不是一成不变的？原因是我们让引用脱离了其类的范围。字段“ category ”是一个可变的引用，因此在返回它之后，客户端可以对其进行修改。为了显示此，请考虑以下程序：

public static void main(String[] args) {MutableProduct p = new MutableProduct("1", "a product", 43.00);System.out.println("Product categories");for (String c : p.getCategories()) System.out.println(c);p.getCategories().remove(0);System.out.println("\nModified Product categories");for (String c : p.getCategories()) System.out.println(c);
}

和控制台输出：

Product categoriesABC

Modified Product categoriesBC

由于类别字段是可变的，并且逃脱了对象的范围，因此客户端已修改类别列表。该产品原本是一成不变的，但已经过修改，从而进入了新的状态。

如果要公开列表的内容，可以使用列表的不可修改视图：

public List<String> getCategoriesUnmodifiable() {return Collections.unmodifiableList(categories);
}

2.无状态对象

无状态对象类似于不可变对象，但是在这种情况下，它们没有状态，甚至没有一个状态。当对象是无状态的时，它不必记住两次调用之间的任何数据。

由于没有修改状态，因此一个线程将无法影响另一线程调用对象操作的结果。因此，无状态类本质上是线程安全的。

ProductHandler是此类对象的示例。它包含对Product对象的多项操作，并且在两次调用之间不存储任何数据。操作的结果不取决于先前的调用或任何存储的数据：

public class ProductHandler {private static final int DISCOUNT = 90;public Product applyDiscount(Product p) {double finalPrice = p.getPrice() * DISCOUNT / 100;return new Product(p.getId(), p.getName(), finalPrice);}public double sumCart(List<Product> cart) {double total = 0.0;for (Product p : cart.toArray(new Product[0])) total += p.getPrice();return total;}
}

在其sumCart方法，所述ProductHandler产品列表转换成一个阵列，因为for-each循环通过它的元件使用的迭代器内部进行迭代。列表迭代器不是线程安全的，如果在迭代过程中进行了修改，则可能引发ConcurrentModificationException 。根据您的需求，您可以选择其他策略。

3.线程局部变量

线程局部变量是在线程范围内定义的那些变量。没有其他线程会看到或修改它们。

第一种是局部变量。在下面的示例中， total变量存储在线程的堆栈中：

public double sumCart(List<Product> cart) {double total = 0.0;for (Product p : cart.toArray(new Product[0])) total += p.getPrice();return total;
}

只要考虑一下，如果您定义引用并返回它，而不是原始类型，它将逃避其范围。您可能不知道返回的引用存储在哪里。调用sumCart方法的代码可以将其存储在静态字段中，并允许在不同线程之间共享。

第二种类型是ThreadLocal类。此类为每个线程提供独立的存储。可以从同一线程内的任何代码访问存储在ThreadLocal实例中的值。

ClientRequestId类显示ThreadLocal用法的示例：

public class ClientRequestId {private static final ThreadLocal<String> id = new ThreadLocal<String>() {@Overrideprotected String initialValue() {return UUID.randomUUID().toString();}};public static String get() {return id.get();}
}

ProductHandlerThreadLocal类使用ClientRequestId在同一线程中返回相同的生成ID：

public class ProductHandlerThreadLocal {//Same methods as in ProductHandler classpublic String generateOrderId() {return ClientRequestId.get();}
}

如果执行main方法，则控制台输出将为每个线程显示不同的ID。举个例子：

T1 - 23dccaa2-8f34-43ec-bbfa-01cec5df3258T2 - 936d0d9d-b507-46c0-a264-4b51ac3f527dT2 - 936d0d9d-b507-46c0-a264-4b51ac3f527dT3 - 126b8359-3bcc-46b9-859a-d305aff22c7e...

如果要使用ThreadLocal，则应注意在线程池化时（例如在应用程序服务器中）使用它的一些风险。您可能最终在请求之间出现内存泄漏或信息泄漏。自从“ 如何与ThreadLocals一起开枪自杀”一文很好地解释了这种情况的发生之后，我将不再扩展本主题。