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Immutability模式：如何利用不变性解决并发问题？

# 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);
  }
}
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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);
  }
}
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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
    }
  }
}
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# 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：

  • 对象的所有属性都是 final 的，并不能保证不可变性；

  • 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;
  }
}
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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;
  }
}
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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;
      }
    }
  }
}
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# 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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# 精选评论

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根据文章内容,一个类具备不可变属性需要满足&#34;类和属性都必须是 final 的,所有方法均是只读的&#34;,类的属性如果是引用型,该属性对应的类也需要满足不可变类的条件,且不能提供修改该属性的方法,
Account类的唯一属性user是final的,提供的方法是可读的,user的类型是StringBuffer,StringBuffer也是final的,这样看来,Account类是不可变性的,但是去看StringBuffer的源码,你会发现StringBuffer类的属性value是可变的<String类中的value定义:private final char value[];StringBuffer类中的value定义:char[] value;>,并且提供了append(Object object)和setCharAt(int index, char ch)修改value.
所以,Account类不具备不可变性
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这段代码应该是线程安全的，但它不是不可变模式。StringBuffer只是字段引用不可变，值是可以调用StringBuffer的方法改变的，这个需要改成把字段改成String这样的不可变对象来解决。
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//Foo 线程安全
final class Foo{
  final int age=0;
  final int name=&#34;abc&#34;;
}
//Bar 线程不安全
class Bar {
  Foo foo;
  void setFoo(Foo f){
    this.foo=f;
  }
}
老师好，对foo的引用和修改在多线程环境中并不能保证原子性和可见性，这句话怎么理解，能用具体的例子说明一下吗？
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这个专栏一直看到这儿，真的很棒，课后问题也很好，让我对并发编程有了一个整体的了解，之前看书一直看不懂，老师带着梳理一遍，看书也容易多了，非常感谢老师，希望老师再出专栏
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不是不可变的，user 逃逸了
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不具备，stringbuffer本身线程不安全
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想请教老师一个问题，Long里面的内部类为什么不用final修饰，这样这个内部类不就是可以被继承修改了么？怎么保证它的不可变性呢？
// 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);
  }
}
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final StringBuffer user;

StingBuffer 是 引用 类型， 当我们说它final StingBuffer user 不可变时，实际上说的是它user指向堆内存的地址不可变， 但堆内存的user对象，通过sub append 方法实际是可变的……
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思考题：不是不可变类，用下边的代码可以进行验证！（返回的对象自身提供了修改方法）
public final class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Account a = new Account(&#34;小A&#34;);

        System.out.println(a.getUser());

        a.getUser().append(&#34;小B&#34;);

        System.out.println(a.getUser());
    }
}
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虽然没有对外提供修改user的方法，但是提供了get方法返回user可以修改
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我的理解是：
不具有不可变性，因为get方法返回的是user对象的引用，不是一个拷贝，所以可以改变Account类的user对象。
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打卡。
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不具备不可变性,原因是stringbuffer类存在更改user对象方法
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老师五一节日快乐。

思考题 ：
不可变类的三要素 ：类、属性、方法都是不可变的。 思考题这个类虽然是final ，属性也是final并且没有修改的方法 ， 但是 stringbuffer这个属性的内容是可变的 ， 所以应该没有满足三要素中的属性不可变 ， 应该不属于不可变类 。


另外老师我有个问题想问下， 我看jdk一些源码里，也用了对象做锁。 例如 我有个变量 final  ConcurrentHashMap cache , 有些方法中会对 cache变量 put新的值 ， 但是还有用这个对象做 synchronized(cache) 对象锁 ， 这种做法对么？ 如果对的话，是因为管程只判断对象的首地址没有改变的原因么 ，希望老师指点一下😁
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#极客时间
上次更新: 2022/06/08, 18:36:46
并发工具类模块热点问题答疑
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