Java并发编程阅读笔记-Java监视器模式示例

1、前言

　　书中在解释Java监视器模式的时候使用了一个车辆追踪器例子，根据不同的使用场景给出了不同的实现和优化。

2、监视器模式示例

　　实现一个调度车辆的“车辆追踪器”，每台车使用一个String对象标识，并且拥有一个相应的位置坐标（x，y）。由于运行在多线程的场景下，对外暴露的接口需要保证线程安全。

　　需要提供的接口包括：

1. 获取所有车辆标识和位置
2. 读取某个车辆位置
3. 更新某个车辆位置

下面给出第一种实现：

@ThreadSafe
public class MonitorVehicleTracker {
    @GuardedBy("this")
    private final Map<String, MutablePoint> locations;

    public MonitorVehicleTracker(Map<String, MutablePoint> points) {
        locations = deepCopy(points);
    }

    public synchronized Map<String, MutablePoint> getLocations() {
        return deepCopy(locations);
    }

    public synchronized MutablePoint getLocation(String key) {
        MutablePoint point = locations.get(key);
        return point == null ? null : new MutablePoint(point);
    }

    public synchronized void setLocation(String id, int x, int y) {
        if (id == null) {
            return;
        }
        MutablePoint point = locations.get(id);
        if (point == null) {
            throw new IllegalArgumentException("No such ID: " + id);
        }
        point.setPoint(x, y);

    }

    private Map<String, MutablePoint> deepCopy(Map<String, MutablePoint> points) {
        if (points == null) {
            return Maps.newHashMap();
        }
        Map<String, MutablePoint> result = Maps.newHashMapWithExpectedSize(points.size());
        for (String key : points.keySet()) {
            result.put(key, new MutablePoint(points.get(key)));
        }
        return Collections.unmodifiableMap(result);
    }
}

@NotThreadSafe
public class MutablePoint {
    private int x, y;

    public MutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public MutablePoint() {
    }

    public MutablePoint(MutablePoint point) {
        if (point == null) {
            throw new IllegalArgumentException("param is null");
        }
        int[] pointArray = point.getPointArray();
        x = pointArray[0];
        y = pointArray[1];
    }

    public int[] getPointArray() {
        int[] ret = new int[2];
        ret[0] = x;
        ret[1] = y;
        return ret;
    }

    public void setPoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

　　首先需要定义一个表示位置的类MutablePoint，该类是可变的，非线程安全的。车辆追踪器的逻辑实现在类MonitorVehicleTracker，提供了所需的三种接口逻辑。MonitorVehicleTracker是一个线程安全类，通过java内置锁（synchronized）和深度拷贝实现，返回的位置信息拷贝了当前的数据，包括车辆表示和对应的位置信息。这种实现方式得到的位置信息是当前的快照，这样的数据结果是否合适取决于你的需求。

　　上面这个实现使用了深度拷贝的方式，这种方式在车辆数量非常大的时候存在性能问题。那么是否可以直接返回原有的数据呢，答案是不可以，如果直接返回，这样意味着直接发布了不支持线程安全的HashMap结构，该数据会在多个线程将共享。

　　那么我们是否有其他方式解决这个问题呢。一种方案是将线程安全的能力委托给类中内部组件，而java提供了线程安全的HashMap-concurrentHashMap（HashTable、Collections.synchronizedMap()性能不及ConcurrentHashMap）

下面给出第二种实现：

@ThreadSafe
public class MonitorVehicleTracker {
    private final ConcurrentHashMap<String, ImmutablePoint> locations;
    private final Map<String, ImmutablePoint>               unmodifiedLocations;

    public MonitorVehicleTracker(Map<String, ImmutablePoint> pointMap) {
        locations = new ConcurrentHashMap<>(pointMap);
        unmodifiedLocations = Collections.unmodifiableMap(locations);
    }

    public Map<String, ImmutablePoint> getLocations() {
        return unmodifiedLocations;
    }

    public void setLocation(String id, int x, int y) {
        if (StringUtils.isBlank(id)) {
            return;
        }
        if (locations.replace(id, new ImmutablePoint(x, y)) == null) {
            throw new IllegalArgumentException("No such ID: " + id);
        }
    }

    public ImmutablePoint getLocation(String id) {
        if (StringUtils.isBlank(id)) {
            throw new IllegalArgumentException("param is null");
        }
        return locations.get(id);
    }
}

@Immutable
@ThreadSafe
public class ImmutablePoint {
    private final int x, y;

    public ImmutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public ImmutablePoint(MutablePoint point) {
        if (point == null) {
            throw new IllegalArgumentException("param is null");
        }
        int[] pointArray = point.getPointArray();
        x = pointArray[0];
        y = pointArray[1];
    }

    public int[] getPointArray() {
        int[] ret = new int[2];
        ret[0] = x;
        ret[1] = y;
        return ret;
    }
}

　　第二个实现中，MonitorVehicleTracker类的线程安全能力委托给内部组件。因为ConcurrentHashMap本身是一个线程安全的HashMap，所以无需进行深度拷贝，直接在线程间共享该数据结构即可。从上面的实现可以看到，位置信息使用ImmutablePoint而不是MutablePoint，这是因为位置信息也会发布出去，也可能会在线程间共享，而ConcurrentHashMap只能保证自身操作的线程安全。ConcurrentHashMap的key、value都需要是线程安全的，ImmutablePoint使用不变性提供了线程安全，String可以认为是常量，同样支持线程安全。与第一种实现发放不同的是，每个线程拿到的位置信息视图是一个变化的，并非快照，如果需要快照，通过浅拷贝即可实现。

　　实现一个线程安全的位置信息类还可以通过内置锁实现，同样，整个MonitorVehicleTracker类还是线程安全的。

　　上面这个实现通过委托给支持线程安全的内部组件实现线程安全，那么是不是只要内部组件是线程安全的那这个类就是线程安全的呢，显然不是的，如果内部组件的数据存在逻辑关系，或者存在复合操作时，线程安全需要满足既定的逻辑关系，保证符合操作的原子性，这些都是需要额外的同步操作来完成

　　在扩展原有支持线程安全类的时候，不管是通过继承方式还是组合方式（客户端加锁），都需要保证扩展类中加的锁和基类的锁是一个锁。