Java - 多线程中的不变性问题

这篇记录一下保证并发安全性的策略之——不变性。
(注意：是Immutable，不是Invariant!)

将一连串行为组织为一个原子操作以保证不变性条件，或者使用同步机制保证可见性，以防止读到失效数据或者对象变为不一致状态，这些问题都是因为共享了可变的数据。

如果我们能保证数据不可变，则这些复杂的问题就自然不用去考虑了。

不可变对象一定是线程安全的。

说简单也简单，不可变对象只有一种状态，且由构造器控制。

因此，判断不可变对象的状态变得特别简单。

当我们共享一个可变对象，其状态的改变行为都是难以预料的，尤其是作为参数传给了可覆盖的方法时，更糟糕的是这些client代码都可以保留该对象的引用，也就是说状态改变的时机也同样难以预料。

相对于可变对象的共享，不可变对象的共享则简单很多，而且几乎不用考虑弄一个快照。

于是我们现在有了一个新的问题：如何让状态不可变?

对于"不可变"这一说法无论是JLS还是什么地方都没有明确的定义，但不可变绝对不仅仅是加个final修饰那么简单，比如final修饰的field引用的是一个可变对象，而final保证的仅仅是引用的指向不会发生变化。

没错，不可变对象和不可变的对象引用是两码事。

对于如何构建一个不可变对象，我们有三个条件（虽然说是"条件"，但并不是那么硬性的，可以算是某种建议）：

1. 对象创建后保证状态不可变

2. 对象的所有field都是final

3. 创建期间没有逸出自身引用，保证对象的创建正确。

关于上面三条，这里举一个例子：

 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);
    }

    public String getStoogeNames() {
        List<String> stooges = new Vector<String>();
        stooges.add("Moe");
        stooges.add("Larry");
        stooges.add("Curly");
        return stooges.toString();
    }
}

让我们检查一下是否满足三个条件：

1. 对象创建后保证状态不可变，是否有变化? 我们首先是用private修饰了stooges，接着提供的两个公有方法中第一个方法是返回boolean而第二个方法getStoogeNames中我们重新创建了一个stooges且保证相同的逻辑而不是直接引用stooges field。

2. 对象的所有field都是final，很明显，我们用了final进行描述以防止对象状态在对象生命周期内改变其引用。

3. 创建期间没有逸出自身引用，在stooges声明时我们就指定了引用，并在构造函数中将其初始化，不会有外来方法可以引用到该状态并将其改编。

不得不说这个final修饰是关键。

通常我们对final关键字最直观的印象是，如果一个用final修饰的对象引用的指向是不会改变的（发现这话怎么说都很难表达清楚，但是你懂的），但即使引用了可变的实例，就判断状态而言，加了final就可以简化不少，分析基本不可变的对象总比分析完全可变的对象来得容易多了吧....

而final和synchronized关键字那样也有多个语义，就是——能确保初始化过程的安全性，从而可以自由共享，不需要进行同步处理（这个同步处理不包括可见性）。

下面是一段用final（更确切地说应该是不可变性）保证了操作原子性（以保证可变性条件）一段例子。

某个Servlet接收参数后将参数传入factor方法对其进行运算并将结果进行响应。

假设这个factor方法非常耗时，于是我们想出了一个方法暂时缓解这一状况，即下一次请求的参数和上一次请求的参数相同则响应缓存中的结果。

也就是说每一次请求时我们多了一个步骤，也就是需要判断请求的数字是否和缓存中的一样，如果不同则重新计算，而这一段并不是原子操作，并发出现时会出现破坏可变性条件的情况。

而为了应对这个问题，我们可以将这一部分用synchronized保证其原子性，但这里使用另一种方式，使用不可变对象：

public class OneValueCache {
    private final BigInteger lastNumber;
    private final BigInteger[] lastFactors;

    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);
    }
}

这个不可变对象是如何设计的?

首先我们保证了所有状态用final进行修饰并在唯一的构造器中进行初始化，注意构造器中对lastFactors进行初始化的那一段，我们用Arrays.copyOf保证了其正确构造，也就是防止逸出。

然后是唯一一个公有方法，这个方法要返回的正是我们计算好的factors，但我们不能直接返回factors，也是为了防止逸出，我们使用了Arrays.copyOf。

下面是使用缓存的Servlet，整个对象只有一个field就是cache，我们用volatile修饰以保证并发时的可见性，即线程A改变了引用时线程B可以立即看到新的缓存。

public class VolatileCachedFactorizer extends GenericServlet 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);
        }
        encodeIntoResponse(resp, factors);
    }

    void encodeIntoResponse(ServletResponse resp, BigInteger[] factors) {
    }

    BigInteger extractFromRequest(ServletRequest req) {
        return new BigInteger("7");
    }

    BigInteger[] factor(BigInteger i) {
        return new BigInteger[]{i};
    }
}