Java 并发编程（二）对象的不变性和安全的公布对象

一、不变性

满足同步需求的还有一种方法是使用不可变对象（Immutable Object）。

到眼下为止，我们介绍了很多与原子性和可见性相关的问题，比如得到失效数据。丢失更新操作或光查到某个对象处于不一致的状态等等，都与多线程视图同一时候訪问同一个可变的状态相关。假设对象的状态不会改变，那么这些问题与复杂性也就自然消失了。

假设某个对象在被创建后其状态就不能被改动，那么这个对象就被成为不可变对象。线程安全型是不可变对象的固有属性之中的一个，他们的不变性条件是由构造函数创建的，仅仅要他们的状态不改变，那么这些不变性条件就能得以维持。

不可变对象非常easy。他们仅仅有一种状态，而且该状态由构造函数来控制。在程序设计中一个最困难的地方就是推断复杂对象的可能状态。然而，推断不可变对象的状态却非常easy。

尽管在 Java 规范和 Java 内存模型中都没有给出不可变性的正式定义，但不可变性并不等于将对象中全部的域都声明为 final 类型，即使对象中全部的域都是 final 类型的，这个对象也仍然是可变的，由于在 final 类型的域中能够保存对可变对象的引用。

当满足下面条件时，对象才是不可变的：

对象创建完之后其状态就不能改动
对象的全部与都是 final 类型
对象时正确创建的（创建期间没有 this 的逸出）

我们来分析以下这个类。

@Immutable

public final class ThreeStooges {

    private final Set<String> stooges = new HashSet<String>();

    public ThreeStooges() {

        stooges.add("Moe");

        stooges.add("Larry");

        stooges.add("Curly");

    }

    public boolean isStooge(String name) {

        return stooges.contains(name);

    }

}

在不可变对象的内部仍能够使用可变对象来管理它们的状态。如 ThreeStooges 所看到的。虽然保存姓名的Set对象是可变的，但从ThreeStooges的设计中能够看到。在Set对象构造完毕后无法对其进行改动。stooges是一个final类型的引用变量，因此全部的对象状态都通过一个final域来訪问。最后一个要求是“正确地构造对象”。这个要求非常easy满足，由于构造函数能使该引用由除了构造函数及其调用者之外的代码来訪问。

因为程序的状态总在不断地变化，你可能会觉得须要使用不可变对象的地方不多。但实际情况并不是如此。

在“不可变的对象”与“不可变的对象引用”之间存在着差异。

保存在不可变对象中的程序状态仍然能够更新，即通过将一个保存新状态的实例来“替换”原有的不可变对象。

Final 域

keyword final 能够视为 C++ 中 const 机制的一种受限版本号，用于构造不可变对象。final 类型的域是不能改动的（但假设 final 域所引用的对象时可变的，那么这些被引用的对象是能够改动的）。然而，在 Java 内存模型中，final 域还有着特殊的语义。final 域能确保初始化过程的安全性。从而能够不受限制的訪问不可变对象，并在共享这些对象时无需同步。

注：个人理解为，final 字段一旦被初始化完毕。并且构造器没有把 this 引用传递出去，那么在其它线程中就能看到 final 字段的值（域内变量可见性，和 volatile 类似），并且其外部可见状态永远也不会改变。它所带来的安全性是最简单最纯粹的。

注：即使对象是可变的，通过将对象的某些域声明为final类型。仍然能够简化对状态的推断。因此限制对象的可变性也就相当于限制了该对象可能的状态集合。仅包括一个或两个可变状态的“基本不可变”对象仍然比包括多个可变状态的对象简单。通过将域声明为final类型，也相当于告诉维护人员这些域是不会变化的。

正如“除非须要更高的可见性，否则应将全部的饿域都声明为私有域”[EJ Item 12]是一个良好的变成习惯，“除非须要某个域是可变的，否则应将其声明为final域”也是一个良好的变成习惯。

演示样例：使用 Volatile 类型来公布不可变对象

之前我们讲过， volatile 能够用来保证域的可见性而不能保证变量操作的原子性，更为准确的讲。仅仅能保证读写操作具有原子性，而不能保证自增 i++ 等运算操作的原子性。

在前面的UnsafeCachingFactorizer类中，我们尝试用两个AtomicReferences变量来保存最新的数值及其因数分解结果，但这样的方式并不是是线程安全的，由于我们无法以原子方式来同一时候读取或更新这两个相关的值。相同。用volatile类型的变量来保存这些值也不是线程安全的。然而，在某些情况下，不可变对象能提供一种弱形式的原子性。

因式分解Servlet将运行两个原子操作：更新缓存的结果，以及通过推断缓存中的数值是否等于请求的数值来决定是否直接读取缓存中的因数分解结果。

每当须要对一组相关数据以原子方式运行某个操作时，就能够考虑创建一个不可变的类来包括这些数据，比如 OneValueCache。

@Immutable

class OneValueCache {

    private final BigInteger lastNumber;

    private final BigInteger[] lastFactors;

    /**

     * 假设在构造函数中没有使用 Arrays.copyOf()方法。那么域内不可变对象 lastFactors却能被域外代码改变

     * 那么 OneValueCache 就不是不可变的。

     */

    public OneValueCache(BigInteger i,

                         BigInteger[] factors) {

        lastNumber  = i;

        lastFactors = Arrays.copyOf(factors, factors.length);

    }

    public BigInteger[] getFactors(BigInteger i) {

        if (lastNumber == null || !lastNumber.equals(i))

            return null;

        else

            return Arrays.copyOf(lastFactors, lastFactors.length);

    }

}

对于在訪问和更新多个相关变量时出现的竞争条件问题，能够通过将这些变量所有保存在一个不可变对象中来消除。

假设是一个可变的对象，那么就必须使用锁来确保原子性。

假设是一个不可变对象，那么当线程获得了对该对象的引用后，就不必操心还有一个线程会改动对象的状态。假设要更新这些变量。那么能够创建一个新的容器对象。但其它使用原有对象的线程仍然会看到对象处于一致的状态。

在 VolatileCachedFactorizer使用了OneValueCache来保存缓存的数值及其因数。我们将 OneValueCache 声明为 volatile，这样当一个线程将cache设置为引用一个新的OneValueCache时，其它线程就会马上看到新缓存的数据。

@ThreadSafe

public class VolatileCachedFactorizer implements Servlet {

    private volatile OneValueCache cache =

        new OneValueCache(null, null);

    public void service(ServletRequest req, ServletResponse resp) {

        BigInteger i = extractFromRequest(req);

        BigInteger[] factors = cache.getFactors(i);

        if (factors == null) {

            factors = factor(i);

            cache = new OneValueCache(i, factors);//声明为 volatile 。防止指令重排序，保证可见性

        }

        encodeIntoResponse(resp, factors);

    }

}

与cache相关的操作不会相互干扰。由于OneValueCache是不可变的。而且在每条对应的代码路径中仅仅会訪问它一次。通过使用包括多个状态变量的容器对象来维持不变性条件。并使用一个volatile类型的引用来确保可见性，使得Volatile Cached Factorizer在没有显式地使用锁的情况下仍然是线程安全的。

二、安全公布

到眼下为止，我们重点讨论的是怎样确保对象不被公布，比如让对象封闭在线程或还有一个对象的内部。当然，在某些情况下我们希望在多个线程间共享对象，此时必须确保安全地进行共享。然而，假设仅仅是像以下程序那样将对象引用保存到公有域中，那么还不足以安全地公布这个对象。

//不安全的公布

public Holder holder;

public void initialize() {

    holder = new Holder(42);

}

你可能会奇怪。这个看似没有问题的演示样例何以会执行失败。

因为存在可见性问题，其它线程看到的Holder对象将处于不一致的状态，即便在该对象的构造函数中已经正确地构建了不变性条件。这样的不对的公布导致其它线程看到尚未创建完毕的对象。

不对的公布：正确的对象被破坏

你不能指望一个尚未被全然创建的对象拥有完整性。某个观察该对象的线程将看到对象处于不一致的状态。然后看到对象的状态突然发生变化，即使线程在对象公布后还没有改动过它。其实，假设以下程序中的Holder使用前面程序中的不安全公布方式，那么还有一个线程在调用assertSanity时将抛出AssertionError。

public class Holder {

    private int n;

    public Holder(int n) { this.n = n; }

    public void assertSanity() {

        if (n != n)

            throw new AssertionError("This statement is false.");

    }

}

因为没有使用同步来确保Holder对象对其它线程可见，因此将Holder称为“未被正确公布”。在未被正确公布的对象中存在两个问题。

首先，除了公布对象的线程外，其它线程能够看到的Holder域是一个失效值。因此将看到一个空引用或者之前的旧值。

然而，更糟糕的情况是，线程看到Holder引用的值是最新的，但Holder状态的值却是失效的。情况变得更加不可预測的是，某个线程在第一次读取域时得到失效值，而再次读取这个域时会得到一个更新值。这也是assertSainty抛出AssertionError的原因。

假设没有足够的同步，那么当在多个线程间共享数据时将发生一些很奇怪的事情。

不可变对象与初始化安全性

因为不可变对象是一种很重要的对象，因此Java内存模型为不可变对象的共享提供了一种特殊的初始化安全性保证。我们已经知道，即使某个对象的引用对其它线程是可见的，也并不意味着对象状态对于使用该对象的线程来说一定是可见的。为了确保对象状态能呈现出一致的视图，就必须使用同步。

还有一方面。即使在公布不可变对象的引用时没有使用同步，也仍然能够安全地訪问该对象。

为了维持这样的初始化安全性的保证。必须满足不可变性的全部需求：状态不可改动，全部域都是final类型。以及正确的构造过程。（假设Holder对象是不可变的，那么即使Holder没有被正确地公布。在assertSanity中也不会抛出AssertionError。

）

不论什么线程都能够在不须要额外同步的情况下安全地訪问不可改变对象，即使在公布这些对象时没有使用同步。

这样的保证还将延伸到被正确创建对象中全部final类型的域。在没有额外同步的情况下，也能够安全地訪问final类型的域。然而。假设final类型的域所指向的是可变对象。那么在訪问这些域所指向的对象的状态时仍然须要同步。

安全公布的经常使用模式

可变对象必须通过安全的方式来公布，这通常意味着在公布和使用该对象的线程时都必须使用同步。

如今，我们将重点介绍怎样确保使用对象的线程可以看到该对象处于已公布的状态。并稍后介绍怎样在对象公布后对其可见性进行改动。

安全地公布一个对象。对象的应用以及对象的状态必须同一时候对其它线程可见。一个正确构造的对象能够通过下面方式来安全地公布：

在静态初始化函数中初始化一个对象引用
将对象的应用保存到volatile类型的域或者AtomicReferance对象中
将对象的引用保存到某个正确构造对象的final类型域中
将对象的引用保存到一个由锁保护的域中。

在线程安全容器内部的同步意味着，在将对象放入到某个容器。比如Vector或synchronizedList时，将满足上述最后一条需求。假设线程A将对象X放入一个线程安全的容器。随后线程B读取这个对象，那么能够确保B看到A设置的X状态，即便在这段读/写X的应用程序代码中没有包括显式的同步。虽然Javadoc在这个主题上没有给出非常清晰的说明，但线程安全库中的容器类提供了下面的安全公布保证：

通过将一个键或者值放入Hashtable、synchronizedMap或者ConcurrentMap中，能够安全地将它公布给不论什么从这些容器中訪问它的线程（不管是直接訪问还是通过迭代器訪问）
通过将某个元素放入Vector、CopyOnWriteArrayList、CopyOnWriteArraySet、synchronizedList或synchronizedSet中，能够将该元素安全地公布到不论什么从这些容器中訪问该元素的线程
通过将某个元素放入BlockingQueue或者ConcurrentLinkedQueue中，能够将该元素安全地公布到不论什么从这些队列中訪问该元素的线程。

类库中的其它数据传递机制（比如Future和Exchanger）相同能实现安全公布。在介绍这些机制时将讨论它们的安全公布功能。

通常，要公布一个静态构造的对象，最简单和最安全的方式是使用静态的初始化器：

public static Holder holder = new Holder(42);

静态初始化器由JVM在类的初始化阶段运行。

因为在JVM内部存在着同步机制，因此通过这样的方式初始化的不论什么对象都能够被安全地公布[JLS 12.4.2]。

事实不可变对象

假设对象在公布后不会被改动，那么对于其它在没有额外同步的情况下安全地訪问这些对象的线程来说，安全公布是足够的。全部的安全公布机制都能确保。当对象的引用对全部訪问该对象的线程可见时，对象公布时的状态对于全部线程也将是可见的，而且假设对象状态不会再改变，那么就足以确保不论什么訪问都是安全的。

假设对象从技术上来看是可变的，但其状态在公布后不会再改变。那么把这样的对象称为“事实不可变对象（Effectively Immutable Object）”。这些对象不须要满足之前提出的不可变性的严格定义。在这些对象公布后。程序仅仅需将它们视为不可变对象就可以。通过使用事实不可变对象。不仅能够简化开发过程，并且还能因为降低了同步而提高性能。

在没有额外的同步的情况下，不论什么线程都能够安全地使用被安全公布的事实不可变对象。

比如，Date本身是可变的，但如果将它作为不可变对象来使用，那么在多个线程之间共享Date对象时，就能够省去对锁的使用。

如果须要维护一个Map对象，当中保存了每位用户的近期登录时间：

public Map<String, Date> lastLogin =Collections.synchronizedMap(new HashMap<String, Date>());

假设Date对象的值在被放入Map后就不会改变，那么synchronizedMap中的同步机制就足以使Date值被安全地公布。而且在訪问这些Date值时不须要额外的同步。

可变对象

假设对象在构造后能够改动，那么安全公布仅仅能确保“公布当时”状态的可见性。对于可变对象，不仅在公布对象时须要使用同步，并且在每次对象訪问时相同须要使用同步来确保兴许改动操作的可见性。

要安全地共享可变对象。这些对象就必须被安全地公布。并且必须是线程安全的或者由某个锁保护起来。

对象的公布需求取决于它的可变性：

不可变对象能够通过随意机制来公布
事实不可改变必须通过安全方式公布
可变对象必须通过安全方式公布。而且必须是线程安全的或者由某个锁保护起来

安全的共享对象

当获得对象的一个引用时，你须要知道在这个引用上能够运行哪些操作。

在使用它之前是否须要获得一个锁？能否够改动它的状态，或者仅仅能读取它？很多并发错误都是因为没有理解共享对象的这些“既定规则”而导致的。当公布一个对象时，必须明白地说明对象的訪问方式。