大师兄

28 | Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？

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：

  1. 对象的所有属性都是final的，并不能保证不可变性；
  2. 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<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;
          }
        }
      }
    }

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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