由获取微信access_token引出的Java多线程并发问题

背景：

access_token是公众号的全局唯一票据，公众号调用各接口时都需使用access_token。开发者需要进行妥善保存。access_token的存储至少要保留512个字符空间。access_token的有效期目前为2个小时，需定时刷新，重复获取将导致上次获取的access_token失效。

1、为了保密appsecrect，第三方需要一个access_token获取和刷新的中控服务器。而其他业务逻辑服务器所使用的access_token均来自于该中控服务器，不应该各自去刷新，否则会造成access_token覆盖而影响业务；
2、目前access_token的有效期通过返回的expire_in来传达，目前是7200秒之内的值。中控服务器需要根据这个有效时间提前去刷新新access_token。在刷新过程中，中控服务器对外输出的依然是老access_token，此时公众平台后台会保证在刷新短时间内，新老access_token都可用，这保证了第三方业务的平滑过渡；
3、access_token的有效时间可能会在未来有调整，所以中控服务器不仅需要内部定时主动刷新，还需要提供被动刷新access_token的接口，这样便于业务服务器在API调用获知access_token已超时的情况下，可以触发access_token的刷新流程。
 
简单起见，使用一个随servlet容器一起启动的servlet来实现获取access_token的功能，具体为：因为该servlet随着web容器而启动，在该servlet的init方法中触发一个线程来获得access_token，该线程是一个无线循环的线程，每隔2个小时刷新一次access_token。相关代码如下：
1）servlet代码：

public class InitServlet extends HttpServlet
{
	private static final long serialVersionUID = 1L;
 
	public void init(ServletConfig config) throws ServletException
	{
		new Thread(new AccessTokenThread()).start();
	}
 
}

 2）线程代码：

public class AccessTokenThread implements Runnable
{
	public static AccessToken accessToken;
 
	@Override
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			try{
				AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();	// 从微信服务器刷新access_token
				if(token != null){
					accessToken = token;
				}else{
					System.out.println("get access_token failed------------------------------");
				}
			}catch(IOException e){
				e.printStackTrace();
			}
 
			try{
				if(null != accessToken){
					Thread.sleep((accessToken.getExpire_in() - 200) * 1000);	// 休眠7000秒
				}else{
					Thread.sleep(60 * 1000);	// 如果access_token为null，60秒后再获取
				}
			}catch(InterruptedException e){
				try{
					Thread.sleep(60 * 1000);
				}catch(InterruptedException e1){
					e1.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
}

3）AccessToken代码：

public class AccessToken
{
	private String access_token;
	private long expire_in;		// access_token有效时间，单位为妙
 
	public String getAccess_token() {
		return access_token;
	}
	public void setAccess_token(String access_token) {
		this.access_token = access_token;
	}
	public long getExpire_in() {
		return expire_in;
	}
	public void setExpire_in(long expire_in) {
		this.expire_in = expire_in;
	}
}

 4）servlet在web.xml中的配置

  <servlet>
    <servlet-name>initServlet</servlet-name>
    <servlet-class>com.sinaapp.wx.servlet.InitServlet</servlet-class>
    <load-on-startup>0</load-on-startup>
  </servlet>

因为initServlet设置了load-on-startup=0，所以保证了在所有其它servlet之前启动。

其它servlet要使用access_token的只需要调用 AccessTokenThread.accessToken即可。

引出多线程并发问题：

1）上面的实现似乎没有什么问题，但是仔细一想，AccessTokenThread类中的accessToken，它存在并发访问的问题，它仅仅由AccessTokenThread每隔2小时更新一次，但是会有很多线程来读取它，它是一个典型的读多写少的场景，而且只有一个线程写。既然存在并发的读写，那么上面的代码肯定是存在问题的。

一般想到的最简单的方法是使用synchronized来处理：

public class AccessTokenThread implements Runnable
{
	private static AccessToken accessToken;
 
	@Override
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			try{
				AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();	// 从微信服务器刷新access_token
				if(token != null){
					AccessTokenThread.setAccessToken(token);
				}else{
					System.out.println("get access_token failed");
				}
			}catch(IOException e){
				e.printStackTrace();
			}
 
			try{
				if(null != accessToken){
					Thread.sleep((accessToken.getExpire_in() - 200) * 1000);	// 休眠7000秒
				}else{
					Thread.sleep(60 * 1000);	// 如果access_token为null，60秒后再获取
				}
			}catch(InterruptedException e){
				try{
					Thread.sleep(60 * 1000);
				}catch(InterruptedException e1){
					e1.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
 
	public synchronized static AccessToken getAccessToken() {
		return accessToken;
	}
 
	private synchronized static void setAccessToken(AccessToken accessToken) {
		AccessTokenThread2.accessToken = accessToken;
	}
}

accessToken变成了private，setAccessToken也变成了private，增加了同步synchronized访问accessToken的方法。

那么到这里是不是就完美了呢？就没有问题了呢？仔细想想，还是有问题，问题出在AccessToken类的定义上，它提供了public的set方法，那么所有的线程都在使用AccessTokenThread.getAccessToken()获得了所有线程共享的accessToken之后，任何线程都可以修改它的属性！！！！而这肯定是不对的，不应该的。

2）解决方法一：

我们让AccessTokenThread.getAccessToken()方法返回一个accessToken对象的copy，副本，这样其它的线程就无法修改AccessTokenThread类中的accessToken了。如下修改AccessTokenThread.getAccessToken()方法即可：

	public synchronized static AccessToken getAccessToken() {
		AccessToken at = new AccessToken();
		at.setAccess_token(accessToken.getAccess_token());
		at.setExpire_in(accessToken.getExpire_in());
		return at;
	}

也可以在AccessToken类中实现clone方法，原理都是一样的。当然setAccessToken也变成了private。

3）解决方法二：

既然我们不应该让AccessToken的对象被修改，那么我们为什么不将accessToken定义成一个“不可变对象”？相关修改如下：

public class AccessToken
{
	private final String access_token;
	private final long expire_in;		// access_token有效时间，单位为妙
 
	public AccessToken(String access_token, long expire_in)
	{
		this.access_token = access_token;
		this.expire_in = expire_in;
	}
 
	public String getAccess_token() {
		return access_token;
	}
 
	public long getExpire_in() {
		return expire_in;
	}
}

如上所示，AccessToken所有的属性都定义成了final类型了，只提供构造函数和get方法。这样的话，其他的线程在获得了AccessToken的对象之后，就无法修改了。改修改要求AccessTokenUtil.freshAccessToken()中返回的AccessToken的对象只能通过有参的构造函数来创建。同时AccessTokenThread的setAccessToken也要修改成private，getAccessToken无须返回一个副本了。

注意不可变对象必须满足下面的三个条件：

a) 对象创建之后其状态就不能修改；

b) 对象的所有域都是final类型；

c) 对象是正确创建的(即在对象的构造函数中，this引用没有发生逸出)；

4）解决方法三：

还有没有其他更加好，更加完美，更加高效的方法呢？我们分析一下，在解决方法二中，AccessTokenUtil.freshAccessToken()返回的是一个不可变对象，然后调用private的AccessTokenThread.setAccessToken(AccessToken accessToken)方法来进行赋值。这个方法上的synchronized同步起到了什么作用呢？因为对象时不可变的，而且只有一个线程可以调用setAccessToken方法，那么这里的synchronized没有起到"互斥"的作用(因为只有一个线程修改)，而仅仅是起到了保证“可见性”的作用，让修改对其它的线程可见，也就是让其他线程访问到的都是最新的accessToken对象。而保证“可见性”是可以使用volatile来进行的，所以这里的synchronized应该是没有必要的，我们使用volatile来替代它。相关修改代码如下：

public class AccessTokenThread implements Runnable
{
	private static volatile AccessToken accessToken;
 
	@Override
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			try{
				AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();	// 从微信服务器刷新access_token
				if(token != null){
					AccessTokenThread2.setAccessToken(token);
				}else{
					System.out.println("get access_token failed");
				}
			}catch(IOException e){
				e.printStackTrace();
			}
 
			try{
				if(null != accessToken){
					Thread.sleep((accessToken.getExpire_in() - 200) * 1000);	// 休眠7000秒
				}else{
					Thread.sleep(60 * 1000);	// 如果access_token为null，60秒后再获取
				}
			}catch(InterruptedException e){
				try{
					Thread.sleep(60 * 1000);
				}catch(InterruptedException e1){
					e1.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
 
	private static void setAccessToken(AccessToken accessToken) {
		AccessTokenThread2.accessToken = accessToken;
	}
        public static AccessToken getAccessToken() {
               return accessToken;
        }
}

也可以这样改：

public class AccessTokenThread implements Runnable
{
	private static volatile AccessToken accessToken;
 
	@Override
	public void run()
	{
		while(true)
		{
			try{
				AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();	// 从微信服务器刷新access_token
				if(token != null){
					accessToken = token;
				}else{
					System.out.println("get access_token failed");
				}
			}catch(IOException e){
				e.printStackTrace();
			}
 
			try{
				if(null != accessToken){
					Thread.sleep((accessToken.getExpire_in() - 200) * 1000);	// 休眠7000秒
				}else{
					Thread.sleep(60 * 1000);	// 如果access_token为null，60秒后再获取
				}
			}catch(InterruptedException e){
				try{
					Thread.sleep(60 * 1000);
				}catch(InterruptedException e1){
					e1.printStackTrace();
				}
			}
		}
	}
 
	public static AccessToken getAccessToken() {
		return accessToken;
	}
}

还可以这样改：

public class AccessTokenThread implements Runnable
{
    public static volatile AccessToken accessToken;
 
    @Override
    public void run()
    {
        while(true)
        {
            try{
                AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();    // 从微信服务器刷新access_token
                if(token != null){
                    accessToken = token;
                }else{
                    System.out.println("get access_token failed");
                }
            }catch(IOException e){
                e.printStackTrace();
            }
 
            try{
                if(null != accessToken){
                    Thread.sleep((accessToken.getExpire_in() - 200) * 1000);    // 休眠7000秒
                }else{
                    Thread.sleep(60 * 1000);    // 如果access_token为null，60秒后再获取
                }
            }catch(InterruptedException e){
                try{
                    Thread.sleep(60 * 1000);
                }catch(InterruptedException e1){
                    e1.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

accesToken变成了public，可以直接是一个AccessTokenThread.accessToken来访问。但是为了后期维护，最好还是不要改成public.

其实这个问题的关键是：在多线程并发访问的环境中如何正确的发布一个共享对象。

其实我们也可以使用Executors.newScheduledThreadPool来搞定：

public class InitServlet2 extends HttpServlet
{
    private static final long serialVersionUID = 1L;
 
    public void init(ServletConfig config) throws ServletException
    {
        ScheduledExecutorService executor = Executors.newScheduledThreadPool(1);
        executor.scheduleAtFixedRate(new AccessTokenRunnable(), 0, 7200-200, TimeUnit.SECONDS);
    }
}

public class AccessTokenRunnable implements Runnable
{
    private static volatile AccessToken accessToken;
 
    @Override
    public void run()
    {
        try{
            AccessToken token = AccessTokenUtil.freshAccessToken();    // 从微信服务器刷新access_token
            if(token != null){
                accessToken = token;
            }else{
                System.out.println("get access_token failed");
            }
        }catch(IOException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public static AccessToken getAccessToken()
    {
        while(accessToken == null){
            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        return accessToken;
    }
 
}

获取accessToken方式变成了：AccessTokenRunnable.getAccessToken();