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Java 并发编程实战-学习日志(一)3:对象的组合



设计线程安全的类

在设计线程安全的类时,需要包含以下三个要素:

  • 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

1. 收集同步需求

要确保类的安全,就需要确保它的不变性条件不会在并发的情况下被破坏,这就需要对其状态进行推断。对象和变量都有一个状态空间,即取值范围。状态空间越小,就越容易判断线程的状态。

如果不了解对象的不变性条件与后验条件,那么就不能确保线程安全性。要满足在状态变量的有效值或状态转换上的各种约束条件,就需要借助原子性与封装性。

2. 依赖状态的操作

在某些对象的方法中还包含一些基于状态的先验条件。比如:不能从空队列中移除一个元素,在删除元素前,队列必须处于非空状态。如果在某个操作中包含有基于状态的先验条件,那么这个操作就称为依赖状态的操作。

3. 状态的所有权

对象封装了它拥有的状态,那么它就拥有封装状态的所有权。

状态的所有者将决定采用何种加锁协议来维持状态的完整性。所有权意味着控制权。

如果发布了某个可变对象的引用,那么就不再拥有独占的控制权,最多是共享控制权。为了防止多个线程在并发访问同一个对象时产生相互干扰,这些对象应该要么是线程安全的对象,要么是事实不可变的对象,或者用同一个锁保护的对象。


实例封闭

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在访问数据是总能持有正确的锁。

被封闭对象一定不能超过它们既定的作用域。

对象可以封闭在类的一个实例中,比如:作为类的一个私有成员;或者封闭在某个作用域内,比如:作为一个局部变量;或者封闭在线程中,比如:在某个线程中将对象从一个方法传递到另一个方法,而不是在多个线程之间共享该对象。

@ThreadSafe
public class PersonSet {
	@GuardedBy("this")
	private final Set<Person> mySet = new HashSet<Person>();
	
	public synchronized void addPerson(Person p){
		mySet.add(p);
	}
	
	public synchronized boolean containsPerson(Person p){
		return mySet.contains(p);
	}
}

封闭机制更易于构造线程安全的类,因为当封闭类的状态时,在分析类的线程安全性时就无须检测整个程序。

1. Java 监视器模式

public class PrivateLock {
    
    private final Object myLock = new Object();
    @GuardedBy("myLock") Widget widget;
    
    void someMethod() {
        synchronized(myLock) {
            // Access or modify the state of widget
        }
    }
} 

使用私有对象锁,比起使用对象的内置锁,有许多优点。

  • 私有的锁对象可以将锁封装起来,使客户代码无法得到锁,但客户代码可以通过公有方法来访问锁,以便参与到同步策略
  • 如果客户代码错误地获得了另一个对象的锁,那么可能会产生活跃性问题
  • 要想验证某个公有访问的锁在程序中是否被正确的使用,需要检查整个程序,而私有锁只需检查单个类即可

2. 示例:车辆追踪

每台车由一个 string 对象来标识,并且拥有一个相应的位置坐标。VehicleTracker 封装了车辆的标识和位置。整个模型包含一个视图线程,和多个执行更新操作的线程。

视图线程会读取车辆的名字和位置,并显示出来:

Map<String, Point> locations = vehicles.getLocations();
for (String key : locations.keySet()){
    renderVehicle(key, locations.get(key)); 
}

执行更新操作的线程会修改车辆的位置:

void vehicleMoved(VehicleMovedEvent evt) {
	Point loc = evt.getNewLocation();
	vehicles.setLocation(evt.getVehicleId(), loc.x, loc.y);
}

基于监视器模式的“车辆追踪器”:

@ThreadSafe
public class MonitorVehicleTracker {
    @GuardedBy("this")
    private final Map<String, MutablePoint> locations;
    
    public MonitorVehicleTracker(Map<String, MutablePoint> locations) {
        this.locations = deepCopy(locations);
    }
    
    public synchronized Map<String, MutablePoint> getLocations() {
        return deepCopy(locations);
    }
    
    public synchronized MutablePoint getLocation(String id) {
        MutablePoint loc = locations.get(id);
        return loc == null ? null : new MutablePoint(loc);
    }
    
    public synchronized void setLocation(String id, int x, int y) {
        MutablePoint loc = locations.get(id);
        if (loc == null)
            throw new IllegalArgumentException("No such ID: " + id);
        loc.x = x;
        loc.y = y;
    }
    
    private static Map<String, MutablePoint> deepCopy(
        Map<String, MutablePoint> m) {
        Map<String, MutablePoint> result =
            new HashMap<String, MutablePoint>();
        for (String id : m.keySet())
            result.put(id, new MutablePoint(m.get(id)));
        return Collections.unmodifiableMap(result);
    }
}

其中用到的 MutablePoint定义如下:

@NotThreadSafe
public class MutablePoint {
    public int x, y;
    public MutablePoint() { x = 0; y = 0; }
    public MutablePoint(MutablePoint p) {
        this.x = p.x;
        this.y = p.y;
    }
} 

线程安全性的委托

在组合对象中,如果每个组件都已经是线程安全的,是否需要再加一个额外的“线程安全层“?答案是:需要视情况而定。

1. 示例:基于委托的车辆追踪器

构建一个线程安全的 Point 类。

@Immutable
public class Point {
    public final int x, y;
    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
} 

将线程安全委托给 ConcurrentHashMap:

@ThreadSafe
public class DelegatingVehicleTracker {
    private final ConcurrentMap<String, Point> locations;
    private final Map<String, Point> unmodifiableMap;
    public DelegatingVehicleTracker(Map<String, Point> points) {
        locations = new ConcurrentHashMap<String, Point>(points);
        unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(locations);
    }
    public Map<String, Point> getLocations() {
        return unmodifiableMap;
    }
    public Point getLocation(String id) {
        return locations.get(id);
    }
    public void setLocation(String id, int x, int y) {
        if (locations.replace(id, new Point(x, y)) == null)
            throw new IllegalArgumentException(
            "invalid vehicle name: " + id);
    }
} 

2. 独立的状态变量

将线程安全性委托给多个状态变量,这些变量都是各自独立的,所以不存在线程安全问题。

public class VisualComponent { 
    private final List<KeyListener> keyListeners = new CopyOnWriteArrayList<KeyListener>();
    private final List<MouseListener> mouseListeners = new CopyOnWriteArrayList<MouseListener>();

    public void addKeyListener(KeyListener listener) {
        keyListeners.add(listener);
    }

    public void addMouseListener(MouseListener listener) {
        mouseListeners.add(listener);
    }

    public void removeKeyListener(KeyListener listener) {
        keyListeners.remove(listener);
    }

    public void removeMouseListener(MouseListener listener) {
        mouseListeners.remove(listener);
    }
} 

3. 当委托失效时

以下是一个不好的例子:

public class NumberRange {
    // INVARIANT: lower <= upper
    private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
    private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);
    public void setLower(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i > upper.get())
            throw new IllegalArgumentException(
            "can't set lower to " + i + " > upper");
        lower.set(i);
    }
    public void setUpper(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i < lower.get())
            throw new IllegalArgumentException(
            "can't set upper to " + i + " < lower");
        upper.set(i);
    }
    public boolean isInRange(int i) {
        return (i >= lower.get() && i <= upper.get());
    }
} 

以上的代码中,使用了两个 AtomicInteger 来管理状态,但是它们之间包含了一个约束条件:第一个要小于第二个。

此时,NumberRange 就不是线程安全的,这时就需要加锁了。

4. 发布底层的状态变量

如果一个状态变量是线程安全的,并且没有任何不变性条件来约束它的值,在变量的操作上也不存在任何不允许的状态转换,那么就可以安全地发布这个变量。


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