并发设计模式 - 并发设计模式(一) - 《信长笔记》

Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？
Copy-on-Write模式：不是延时策略的COW
- Copy-on-Write 模式的应用领域
- 案例
线程本地存储模式：没有共享，就没有伤害

Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？

解决并发问题，其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作，而没有写操作
设计模式：不变性（Immutability）模式。所谓不变性，简单来讲，就是对象一旦被创建之后，状态就不再发生变化。
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快速实现具备不可变性的类

将一个类所有的属性都设置成 final 的，并且只允许存在只读方法，那么这个类基本上就具备不可变性了。更严格的做法是这个类本身也是 final 的，也就是不允许继承。
例如: String, Long, Integer, Double等基础类型的包装类都具备不可变性, 满足: 类和属性都是final的, 所有方法均是只读的
可变对象提供修改的功能==>创建并返回一个新的不可变对象

利用享元模式避免创建重复对象

Java 语言里面 Long、Integer、Short、Byte 等这些基本数据类型的包装类都用到了享元模式。以减少创建对象的数量, 减少内存占用.
享元模式本质上其实就是一个对象池，利用享元模式创建对象的逻辑也很简单：创建之前，首先去对象池里看看是不是存在；如果已经存在，就利用对象池里的对象；如果不存在，就会新创建一个对象，并且把这个新创建出来的对象放进对象池里。
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Long 这个类并没有照搬享元模式，Long 内部维护了一个静态的对象池，仅缓存了[-128,127]之间的数字，这个对象池在 JVM 启动的时候就创建好了，而且这个对象池一直都不会变化，也就是说它是静态的。之所以采用这样的设计，是因为 Long 这个对象的状态共有 264 种，实在太多，不宜全部缓存，而[-128,127]之间的数字利用率最高。下面的示例代码出自 Java 1.8，valueOf() 方法就用到了 LongCache 这个缓存，你可以结合着来加深理解。


Long valueOf(long l) {
  final int offset = 128;
  // [-128,127]直接的数字做了缓存
  if (l >= -128 && l <= 127) { 
    return LongCache
      .cache[(int)l + offset];
  }
  return new Long(l);
}
//缓存，等价于对象池
//仅缓存[-128,127]直接的数字
static class LongCache {
  static final Long cache[] 
    = new Long[-(-128) + 127 + 1];
  static {
    for(int i=0; i<cache.length; i++)
      cache[i] = new Long(i-128);
  }
}

“Integer 和 String 类型的对象不适合做锁”，其实基本上所有的基础类型的包装类都不适合做锁，因为它们内部用到了享元模式，这会导致看上去私有的锁，其实是共有的。
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示例代码: A和B公用的一把锁


class A {
  Long al=Long.valueOf(1);
  public void setAX(){
    synchronized (al) {
      //省略代码无数
    }
  }
}
class B {
  Long bl=Long.valueOf(1);
  public void setBY(){
    synchronized (bl) {
      //省略代码无数
    }
  }
}

使用 Immutability 模式的注意事项

对象的所有属性都是 final 的，并不能保证不可变性；

在 Java 语言中，final 修饰的属性一旦被赋值，就不可以再修改，但是如果属性的类型是普通对象，那么这个普通对象的属性是可以被修改的。在使用 Immutability 模式的时候一定要确认保持不变性的边界在哪里，是否要求属性对象也具备不可变性。

不可变对象也需要正确发布。

不可变对象虽然是线程安全的，但是并不意味着引用这些不可变对象的对象就是线程安全的。例如在下面的代码中，Foo 具备不可变性，线程安全，但是类 Bar 并不是线程安全的，类 Bar 中持有对 Foo 的引用 foo，对 foo 这个引用的修改在多线程中并不能保证可见性和原子性。
示例代码:


//Foo线程安全
final class Foo{
  final int age=0;
  final int name="abc";
}
//Bar线程不安全
class Bar {
  Foo foo;
  void setFoo(Foo f){
    this.foo=f;
  }
}

如果你的程序仅仅需要 foo 保持可见性，无需保证原子性，那么可以将 foo 声明为 volatile 变量，这样就能保证可见性。如果你的程序需要保证原子性，那么可以通过原子类来实现。
示例代码:


public class SafeWM {
  class WMRange{
    final int upper;
    final int lower;
    WMRange(int upper,int lower){
    //省略构造函数实现
    }
  }
  final AtomicReference<WMRange>
    rf = new AtomicReference<>(
      new WMRange(0,0)
    );
  // 设置库存上限
  void setUpper(int v){
    while(true){
      WMRange or = rf.get();
      // 检查参数合法性
      if(v < or.lower){
        throw new IllegalArgumentException();
      }
      WMRange nr = new
          WMRange(v, or.lower);
      if(rf.compareAndSet(or, nr)){
        return;
      }
    }
  }
}

具备不变性的对象，只有一种状态，这个状态由对象内部所有的不变属性共同决定。其实还有一种更简单的不变性对象，那就是无状态。无状态对象内部没有属性，只有方法。除了无状态的对象，你可能还听说过无状态的服务、无状态的协议等等。无状态有很多好处，最核心的一点就是性能。在多线程领域，无状态对象没有线程安全问题，无需同步处理，自然性能很好；在分布式领域，无状态意味着可以无限地水平扩展，所以分布式领域里面性能的瓶颈一定不是出在无状态的服务节点上。

Copy-on-Write模式：不是延时策略的COW

String 这个类在实现 replace() 方法的时候，并没有更改原字符串里面 value[]数组的内容，而是创建了一个新字符串，这种方法在解决不可变对象的修改问题时经常用到. 本质上是一种 Copy-on-Write 方法。所谓 Copy-on-Write，经常被缩写为 COW 或者 CoW，顾名思义就是写时复制。不可变对象的写操作往往都是使用 Copy-on-Write 方法解决的.

Copy-on-Write 模式的应用领域

用 Copy-on-Write 更多地体现的是一种延时策略，只有在真正需要复制的时候才复制，而不是提前复制好, Copy-on-Write 还支持按需复制.
Java 提供的 Copy-on-Write 容器，由于在修改的同时会复制整个容器，所以在提升读操作性能的同时，是以内存复制为代价的。

CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 这两个 Copy-on-Write 容器，它们背后的设计思想就是 Copy-on-Write；通过 Copy-on-Write 这两个容器实现的读操作是无锁的，由于无锁，所以将读操作的性能发挥到了极致。

CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 这两个 Copy-on-Write 容器在修改的时候会复制整个数组，所以如果容器经常被修改或者这个数组本身就非常大的时候，是不建议使用的。反之，如果是修改非常少、数组数量也不大，并且对读性能要求苛刻的场景，使用 Copy-on-Write 容器效果就非常好了。

Copy-on-Write 最大的应用领域还是在函数式编程领域。函数式编程的基础是不可变性（Immutability），所以函数式编程里面所有的修改操作都需要 Copy-on-Write 来解决。

案例

我曾经写过一个 RPC 框架，有点类似 Dubbo，服务提供方是多实例分布式部署的，所以服务的客户端在调用 RPC 的时候，会选定一个服务实例来调用，这个选定的过程本质上就是在做负载均衡，而做负载均衡的前提是客户端要有全部的路由信息。例如在下图中，A 服务的提供方有 3 个实例，分别是 192.168.1.1、192.168.1.2 和 192.168.1.3，客户端在调用目标服务 A 前，首先需要做的是负载均衡，也就是从这 3 个实例中选出 1 个来，然后再通过 RPC 把请求发送选中的目标实例。
并发设计模式(一) - 图1
RPC 路由关系图RPC 框架的一个核心任务就是维护服务的路由关系，我们可以把服务的路由关系简化成下图所示的路由表。当服务提供方上线或者下线的时候，就需要更新客户端的这张路由表。
并发设计模式(一) - 图2
我们首先来分析一下如何用程序来实现。每次 RPC 调用都需要通过负载均衡器来计算目标服务的 IP 和端口号，而负载均衡器需要通过路由表获取接口的所有路由信息，也就是说，每次 RPC 调用都需要访问路由表，所以访问路由表这个操作的性能要求是很高的。不过路由表对数据的一致性要求并不高，一个服务提供方从上线到反馈到客户端的路由表里，即便有 5 秒钟，很多时候也都是能接受的（5 秒钟，对于以纳秒作为时钟周期的 CPU 来说，那何止是一万年，所以路由表对一致性的要求并不高）。而且路由表是典型的读多写少类问题，写操作的量相比于读操作，可谓是沧海一粟，少得可怜。

通过以上分析，你会发现一些关键词：对读的性能要求很高，读多写少，弱一致性。它们综合在一起，你会想到什么呢？CopyOnWriteArrayList 和 CopyOnWriteArraySet 天生就适用这种场景啊。所以下面的示例代码中，RouteTable 这个类内部我们通过ConcurrentHashMap>这个数据结构来描述路由表，ConcurrentHashMap 的 Key 是接口名，Value 是路由集合，这个路由集合我们用是 CopyOnWriteArraySet。

下面我们再来思考 Router 该如何设计，服务提供方的每一次上线、下线都会更新路由信息，这时候你有两种选择。一种是通过更新 Router 的一个状态位来标识，如果这样做，那么所有访问该状态位的地方都需要同步访问，这样很影响性能。另外一种就是采用 Immutability 模式，每次上线、下线都创建新的 Router 对象或者删除对应的 Router 对象。由于上线、下线的频率很低，所以后者是最好的选择。

Router 的实现代码如下所示，是一种典型 Immutability 模式的实现，需要你注意的是我们重写了 equals 方法，这样 CopyOnWriteArraySet 的 add() 和 remove() 方法才能正常工作。

示例代码:


//路由信息
public final class Router{
  private final String  ip;
  private final Integer port;
  private final String  iface;
  //构造函数
  public Router(String ip, 
      Integer port, String iface){
    this.ip = ip;
    this.port = port;
    this.iface = iface;
  }
  //重写equals方法
  public boolean equals(Object obj){
    if (obj instanceof Router) {
      Router r = (Router)obj;
      return iface.equals(r.iface) &&
             ip.equals(r.ip) &&
             port.equals(r.port);
    }
    return false;
  }
  public int hashCode() {
    //省略hashCode相关代码
  }
}
//路由表信息
public class RouterTable {
  //Key:接口名
  //Value:路由集合
  ConcurrentHashMap<String, CopyOnWriteArraySet<Router>> 
    rt = new ConcurrentHashMap<>();
  //根据接口名获取路由表
  public Set<Router> get(String iface){
    return rt.get(iface);
  }
  //删除路由
  public void remove(Router router) {
    Set<Router> set=rt.get(router.iface);
    if (set != null) {
      set.remove(router);
    }
  }
  //增加路由
  public void add(Router router) {
    Set<Router> set = rt.computeIfAbsent(
      route.iface, r -> 
        new CopyOnWriteArraySet<>());
    set.add(router);
  }
}

线程本地存储模式：没有共享，就没有伤害

多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题, 从共享变量出发—>避免共享

ThreadLocal 的使用方法

示例代码:下面这个静态类 ThreadId 会为每个线程分配一个唯一的线程 Id，如果一个线程前后两次调用 ThreadId 的 get() 方法，两次 get() 方法的返回值是相同的。但如果是两个线程分别调用 ThreadId 的 get() 方法，那么两个线程看到的 get() 方法的返回值是不同的。


static class ThreadId {
  static final AtomicLong 
  nextId=new AtomicLong(0);
  //定义ThreadLocal变量
  static final ThreadLocal<Long> 
  tl=ThreadLocal.withInitial(
    ()->nextId.getAndIncrement());
  //此方法会为每个线程分配一个唯一的Id
  static long get(){
    return tl.get();
  }
}

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示例代码: 如何在并发场景下使用SimpleDateFormat (SimpleDateFormat线程不安全)


static class SafeDateFormat {
  //定义ThreadLocal变量
  static final ThreadLocal<DateFormat>
  tl=ThreadLocal.withInitial(
    ()-> new SimpleDateFormat(
      "yyyy-MM-dd HH:mm:ss"));
  static DateFormat get(){
    return tl.get();
  }
}
//不同线程执行下面代码
//返回的df是不同的
DateFormat df =
  SafeDateFormat.get()；

ThreadLocal 的工作原理

在解释 ThreadLocal 的工作原理之前，你先自己想想：如果让你来实现 ThreadLocal 的功能，你会怎么设计呢？ThreadLocal 的目标是让不同的线程有不同的变量 V，那最直接的方法就是创建一个 Map，它的 Key 是线程，Value 是每个线程拥有的变量 V，ThreadLocal 内部持有这样的一个 Map 就可以了。你可以参考下面的示意图和示例代码来理解。

并发设计模式(一) - 图3


class MyThreadLocal<T> {
  Map<Thread, T> locals = 
    new ConcurrentHashMap<>();
  //获取线程变量  
  T get() {
    return locals.get(
      Thread.currentThread());
  }
  //设置线程变量
  void set(T t) {
    locals.put(
      Thread.currentThread(), t);
  }
}

那 Java 的 ThreadLocal 是这么实现的吗？这一次我们的设计思路和 Java 的实现差异很大。Java 的实现里面也有一个 Map，叫做 ThreadLocalMap，不过持有 ThreadLocalMap 的不是 ThreadLocal，而是 Thread。Thread 这个类内部有一个私有属性 threadLocals，其类型就是 ThreadLocalMap，ThreadLocalMap 的 Key 是 ThreadLocal。你可以结合下面的示意图和精简之后的 Java 实现代码来理解。并发设计模式(一) - 图4
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class Thread {
  //内部持有ThreadLocalMap
  ThreadLocal.ThreadLocalMap 
    threadLocals;
}
class ThreadLocal<T>{
  public T get() {
    //首先获取线程持有的
    //ThreadLocalMap
    ThreadLocalMap map =
      Thread.currentThread()
        .threadLocals;
    //在ThreadLocalMap中
    //查找变量
    Entry e = 
      map.getEntry(this);
    return e.value;  
  }
  static class ThreadLocalMap{
    //内部是数组而不是Map
    Entry[] table;
    //根据ThreadLocal查找Entry
    Entry getEntry(ThreadLocal key){
      //省略查找逻辑
    }
    //Entry定义
    static class Entry extends
    WeakReference<ThreadLocal>{
      Object value;
    }
  }
}

ThreadLocal 与内存泄露

在线程池中使用 ThreadLocal 为什么可能导致内存泄露呢？原因就出在线程池中线程的存活时间太长，往往都是和程序同生共死的，这就意味着 Thread 持有的 ThreadLocalMap 一直都不会被回收，再加上 ThreadLocalMap 中的 Entry 对 ThreadLocal 是弱引用（WeakReference），所以只要 ThreadLocal 结束了自己的生命周期是可以被回收掉的。但是 Entry 中的 Value 却是被 Entry 强引用的，所以即便 Value 的生命周期结束了，Value 也是无法被回收的，从而导致内存泄露。那在线程池中，我们该如何正确使用 ThreadLocal 呢？其实很简单，既然 JVM 不能做到自动释放对 Value 的强引用，那我们手动释放就可以了。如何能做到手动释放呢？估计你马上想到 try{}finally{}方案了，这个简直就是手动释放资源的利器。示例的代码如下，你可以参考学习。


ExecutorService es;
ThreadLocal tl;
es.execute(()->{
  //ThreadLocal增加变量
  tl.set(obj);
  try {
    // 省略业务逻辑代码
  }finally {
    //手动清理ThreadLocal 
    tl.remove();
  }
});

InheritableThreadLocal 与继承性

通过 ThreadLocal 创建的线程变量，其子线程是无法继承的。也就是说你在线程中通过 ThreadLocal 创建了线程变量 V，而后该线程创建了子线程，你在子线程中是无法通过 ThreadLocal 来访问父线程的线程变量 V 的。

如果你需要子线程继承父线程的线程变量，那该怎么办呢？其实很简单，Java 提供了 InheritableThreadLocal 来支持这种特性，InheritableThreadLocal 是 ThreadLocal 子类，所以用法和 ThreadLocal 相同，这里就不多介绍了。

不过，我完全不建议你在线程池中使用 InheritableThreadLocal，不仅仅是因为它具有 ThreadLocal 相同的缺点——可能导致内存泄露，更重要的原因是：线程池中线程的创建是动态的，很容易导致继承关系错乱，如果你的业务逻辑依赖 InheritableThreadLocal，那么很可能导致业务逻辑计算错误，而这个错误往往比内存泄露更要命。

总结
线程本地存储模式本质上是一种避免共享的方案，由于没有共享，所以自然也就没有并发问题。如果你需要在并发场景中使用一个线程不安全的工具类，最简单的方案就是避免共享。避免共享有两种方案，一种方案是将这个工具类作为局部变量使用，另外一种方案就是线程本地存储模式。这两种方案，局部变量方案的缺点是在高并发场景下会频繁创建对象，而线程本地存储方案，每个线程只需要创建一个工具类的实例，所以不存在频繁创建对象的问题。