28 | Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？

王宝令 2019-05-02

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讲述：王宝令大小：7.27M时长：07:56

我们曾经说过，“多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题”，这里的必要条件之一是读写，如果只有读，而没有写，是没有并发问题的。

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。这个办法如此重要，以至于被上升到了一种解决并发问题的设计模式：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。换句话说，就是变量一旦被赋值，就不允许修改了（没有写操作）；没有修改操作，也就是保持了不变性。

快速实现具备不可变性的类

实现一个具备不可变性的类，还是挺简单的。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。因为子类可以覆盖父类的方法，有可能改变不可变性，所以推荐你在实际工作中，使用这种更严格的做法。

Java SDK 里很多类都具备不可变性，只是由于它们的使用太简单，最后反而被忽略了。例如经常用到的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。如果你仔细翻看这些类的声明、属性和方法，你会发现它们都严格遵守不可变类的三点要求：类和属性都是 final 的，所有方法均是只读的。

看到这里你可能会疑惑，Java 的 String 方法也有类似字符替换操作，怎么能说所有方法都是只读的呢？我们结合 String 的源代码来解释一下这个问题，下面的示例代码源自 Java 1.8 SDK，我略做了修改，仅保留了关键属性 value[]和 replace() 方法，你会发现：String 这个类以及它的属性 value[]都是 final 的；而 replace() 方法的实现，就的确没有修改 value[]，而是将替换后的字符串作为返回值返回了。

public final class String {

private final char value[];

// 字符替换

String replace(char oldChar,

  char newChar) {
//无需替换，直接返回this
if (oldChar == newChar){
  return this;
}
int len = value.length;
int i = -1;
/_ avoid getfield opcode _/
char[] val = value;
//定位到需要替换的字符位置
while (++i < len) {
  if (val[i] == oldChar) {
    break;
  }
}
//未找到oldChar，无需替换
if (i >= len) {
  return this;
}
//创建一个buf[]，这是关键
//用来保存替换后的字符串
char buf[] = new char[len];
for (int j = 0; j < i; j++) {
  buf[j] = val[j];
}
while (i < len) {
  char c = val[i];
  buf[i] = (c == oldChar) ?
    newChar : c;
  i++;
}
//创建一个新的字符串返回
//原字符串不会发生任何变化
return new String(buf, true);

}

}

通过分析 String 的实现，你可能已经发现了，如果具备不可变性的类，需要提供类似修改的功能，具体该怎么操作呢？做法很简单，那就是创建一个新的不可变对象，这是与可变对象的一个重要区别，可变对象往往是修改自己的属性。

所有的修改操作都创建一个新的不可变对象，你可能会有这种担心：是不是创建的对象太多了，有点太浪费内存呢？是的，这样做的确有些浪费，那如何解决呢？

利用享元模式避免创建重复对象

如果你熟悉面向对象相关的设计模式，相信你一定能想到享元模式（Flyweight Pattern）。利用享元模式可以减少创建对象的数量，从而减少内存占用。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。

下面我们就以 Long 这个类作为例子，看看它是如何利用享元模式来优化对象的创建的。

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。

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);

}

}

前面我们在《13 | 理论基础模块热点问题答疑》中提到“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。例如在下面代码中，本意是 A 用锁 al，B 用锁 bl，各自管理各自的，互不影响。但实际上 al 和 bl 是一个对象，结果 A 和 B 共用的是一把锁。

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

在使用 Immutability 模式的时候，需要注意以下两点：

对象的所有属性都是 final 的，并不能保证不可变性；

不可变对象也需要正确发布。

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。例如下面的代码中，Bar 的属性 foo 虽然是 final 的，依然可以通过 setAge() 方法来设置 foo 的属性 age。所以，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。

class Foo{

int age=0;

int name=”abc”;

}

final class Bar {

final Foo foo;

void setAge(int a){

foo.age=a;

}

}

下面我们再看看如何正确地发布不可变对象。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。

//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。下面的示例代码是合理库存的原子化实现，你应该很熟悉了，其中就是用原子类解决了不可变对象引用的原子性问题。

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

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;
  }
}

}

}

总结

利用 Immutability 模式解决并发问题，也许你觉得有点陌生，其实你天天都在享受它的战果。Java 语言里面的 String 和 Long、Integer、Double 等基础类型的包装类都具备不可变性，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。Immutability 模式是最简单的解决并发问题的方法，建议当你试图解决一个并发问题时，可以首先尝试一下 Immutability 模式，看是否能够快速解决。

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。

课后思考

下面的示例代码中，Account 的属性是 final 的，并且只有 get 方法，那这个类是不是具备不可变性呢？

public final class Account{

private final

StringBuffer user;

public Account(String user){

this.user =
  new StringBuffer(user);

}

public StringBuffer getUser(){

return this.user;

}

public String toString(){

return "user"+user;

}

}

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