[Java 并发编程实战] 设计线程安全的类的三个方式(含代码)
发奋忘食，乐以忘优，不知老之将至。———《论语》
前面几篇已经介绍了关于线程安全和同步的相关知识，那么有了这些概念，我们就可以开始着手设计线程安全的类。本文将介绍构建线程安全类的几个方法，并说明他的区别。
我要讲的这几个构建线程安全类的方式是：
- 实例封闭。
- 线程安全性的委托。
- 现有的线程安全类添加功能。
另外，在设计线程安全类的过程中，我们需要考虑下面三个基本要素，遵循这三个步骤：
- 找出构成对象状态的所有变量。
- 找出约束状态变量的不变性条件。
- 建立对象状态的并发访问策略。
以上，就是这篇文章主要讲解的内容，下面章节分三个构建方法逐步展开说明，逐个分析，并附上自己测试过的实例代码，确保这篇文章分享的内容是经过验证的。
实例封闭
意思是将数据封装在对象内部，它将数据的访问限制在对象的方法上，从而更容易确保线程在访问数据时总能持有正确的锁。当一个非线程安全对象被封装到另一对象中时，能够访问被封装对象的所有代码路径都是已知的。这和在整个程序中直接访问非线程对象相比，更易于对代码进行分析。下面代码清单就是一个实例封闭的例子：
1import java.util.ArrayList;
2
3//ThreadSafe
4public class PointList{
5
6 //非线程安全对象 myList
7 private final ArrayList<SafePoint> myList = new ArrayList<SafePoint>();
8
9 //所有访问 myList 的方法都是用同步锁，确保线程安全
10 public synchronized void addPoint(SafePoint p) {
11 myList.add(p);
12 }
13 //所有访问 myList 的方法都是用同步锁，确保线程安全
14 public synchronized boolean containsPoint(SafePoint p) {
15 return myList.contains(p);
16 }
17 //所有访问 myList 的方法都是用同步锁，确保线程安全
18 //发布SafePoint
19 public synchronized SafePoint getPoint(int i) {
20 return myList.get(i);
21 }
22
23 //ThreadSafe(可发布的可变线程安全对象)
24 class SafePoint{
25 private int x;
26 private int y;
27
28 private SafePoint(int[] a) {this(a[0], a[1]);}
29
30 public SafePoint(SafePoint p) {this(p.get());}
31
32 public SafePoint(int x, int y) {
33 this.x = x;
34 this.y = y;
35 }
36 //使用同步锁，确保线程安全
37 public synchronized int[] get() {
38 return new int[] {x, y};
39 }
40 //使用同步锁，确保线程安全
41 public synchronized void set(int x, int y) {
42 this.x = x;
43 this.y = y;
44 }
45 }
46}
PointList 的状态由 ArrayList 来管理，但是 ArrayList 并非线程安全的。由于 ArrayList 私有并且不会逸出，因此 ArrayList 被封闭在 PointList 中。唯一能够访问 ArrayList 的路径都上同步锁了，也就是说 ArrayList 的状态完全有 PointList 内置锁保护，因而 PointList 是一个线程安全的类。Point 类的安全性放到后面讨论。
从这里例子可以看出，实例封闭可以非常简单的构建出线程安全的类。封闭机制更易于构造线程安全的类，因为当封闭类的状态时，在分析类的线程安全性时就无需检查整个程序。当然，如果将一个本该封闭的对象发布出去，那么也会破坏封闭性。
线程安全性的委托
如果类中的各个状态已经是线程安全的，那么是否需要再增加一个线程安全层的封装呢？
具体问题具体分析，这种需要视情况而定。
1） 如果各个状态变量是相互独立的并且互不依赖，并且没有复合操作，那么可以将线程安全性委托给底层的状态变量。如将安全性委托给 value：
1import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
2
3public class SafeSequene{
4 private value = new AtomicInteger(0);
5 //返回一个唯一的数值
6 public synchronized int getNext(){
7 return value.incrementAndGet();
8 }
9}
2） 如果各个状态变量之间存在依赖关系，并且存在复合操作，那么是非线程安全的。来看下面一个例子，NumberRange 这个类的各个状态组成部分都是线程安全的，但是存在状态之间的依赖关系，并非互相独立，所以也是非线程安全的。
1import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
2
3public class NumberRange{
4
5 //不变性条件：lower <= upper
6 private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);//线程安全类
7 private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);//线程安全类
8
9 private static boolean flag = true;
10
11 private static volatile boolean stopAllThread = false; //检测到无效状态，停止所有线程并输出，此时lower > upper
12
13 private static int count = 3; //非线程安全，但是不必理会，不影响我们测试
14
15 //检查然后更新
16 public void setLower(int i) {
17 if(i <= upper.get()) { //lower依赖upper的值，有可能upper的值已经失效
18 lower.set(i);
19 }
20 }
21
22 //检查然后更新
23 public void setUpper(int i) {
24 if(i >= lower.get()) { //upper依赖lower的值，有可能lower的值已经失效
25 upper.set(i);
26 }
27 }
28
29 public static void main(String[] args) {
30
31
32 NumberRange nr = new NumberRange();
33 while(stopAllThread == false) {
34 for(int i = 0; i < 10000; i++) {
35
36 if(stopAllThread == true)
37 break;
38
39 new Thread(new Runnable() {
40 @Override
41 public void run() {
42
43 if(stopAllThread == true)
44 return;
45
46 if(flag == true)
47 {
48 flag = false;
49 nr.setLower(count++);
50 }
51 else {
52 flag = true;
53 nr.setUpper(count);
54 }
55 if(nr.lower.get() > nr.upper.get()) //检测到无效状态，lower > upper
56 {
57 stopAllThread = true;
58 System.out.println("state wrong");//打印错误信息
59 System.out.println("lower = " + nr.lower.get() + " upper = " + nr.upper.get());
60 }
61 }
62 }).start();
63 }
64 while(Thread.activeCount() > 1);
65 System.out.println("lower = " + nr.lower.get() + " upper = " + nr.upper.get());
66 }
67 }
68}
在上面的程序中，并发的情况下我们可以检测到无效状态，即 upper 的值大于 lower 的值。这便是不满足我们的不变性条件，因为状态变量 lower 和 upper 不是彼此独立的，因此 NumberRange 不能将线程安全委托给他的线程安全状态变量。输出如下：
这里写图片描述
3） 如何安全的发布底层的状态变量？
如果一个状态变量是线程安全的，并且没有任何不变性条件来约束他的值，在变量操作上也不存在任何不允许的状态转换，那么就可以安全的发布这个变量。在示例封闭的代码清单中，SafePoint 是一个可变的且线程安全的类，我们可以安全的发布它。
现有的线程安全类添加功能
Java 的类库中，已经包含了很多线程安全的基础模块。通常，我们可以直接拿来重用，并不需要重复造*。重用已有的类库，可以有效降低开发的工作量，开发风险以及维护成本。下面将讲解三种方式来增加新方法，组合方式将是最优的方法。我们应当避免使用前两种方式，而所用最后一种方式。
通过继承基类添加功能（扩展类方式）
假设，我们需要对 Vector 扩展，添加一个[若没有则添加]的操作。我们想到的最直接的方法应该是修改原始类，但是通常是无法做到的，因为我们极有可能没法访问或修改类的源代码。
现在采用另一种方式，通过继承基类的方式扩展这个类并添加一个新方法 putIfAbsent。如下所示：
1import java.util.Vector;
2//ThreadSafe
3public class BetterVector<E> extends Vector<E>{
4 public synchronized boolean putIfAbsent(E x) {
5 boolean absent = !contains(x);
6 if(absent)
7 add(x);
8 return absent;
9 }
10}
这样就可以成功添加一个新的方法。然而，这比直接在基类代码增加新方法更加脆弱，因为现在的同步策略被分布到多个源码文件中。如果底层的类修改了同步策略并选择不同的锁来保护，那么子类将会失效，不能保证线程安全。
客户端加锁机制
同样，来增加一个新方法 putIfAbsent，请看下面代码：
1import java.util.ArrayList;
2import java.util.Collections;
3import java.util.List;
4
5public class ListHelper<E> {
6
7 public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
8 //无效的同步锁
9 public synchronized boolean putIfAbsent(E x) {
10 boolean absent = !list.contains(x);
11 if(absent)
12 list.add(x);
13 return absent;
14 }
15}
这种方式并不能实现线程安全,它的问题在于同步的时候使用了错误的锁。因为 List 本身用的锁肯定不是 ListHelper 上的锁，这意味着 putIfAbsent 相对于其他 List 的方法来说并不是同步的。所以看起来同步了实际上却没有什么卵用。
要使这个方法能够正确同步，必须在客户端加锁。即对于使用某个对象 X 的客户端代码，使用 X 本身用于保护其状态的锁来保护这段客户代码。要使用客户端加锁，你必须知道对象 X 使用的是哪个锁。
在 Vector 和同步封装器的文档中指出，他们通过使用 Vector 或封装器容器的内置锁来支持客户端加锁。上面代码可以改成如下：
1import java.util.ArrayList;
2import java.util.Collections;
3import java.util.List;
4
5public class ListHelper<E> {
6
7 public List<E> list = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
8
9 public boolean putIfAbsent(E x) {
10 synchronized(list) {//客户端加锁
11 boolean absent = !list.contains(x);
12 if(absent)
13 list.add(x);
14 return absent;
15 }
16 }
17}
客户端加锁方式是很脆弱的加锁方式，意味他将类 C 的加锁代码放到与 C 完全无关的其他类中。所以在使用客户端加锁时，需要特别小心。
客户端加锁机制和扩展类机制有许多共同点，二者都是讲派生类的行为与基类的实现耦合在一起，会破坏实现的封装性和同步策略的封装性。
组合
相比前面两种机制，这是一种更好的方法。如下所示，ImprovedList 将 List 的操作委托给底层的 List 对象，然后自己继承 List 接口的所有方法并对他们加上同步锁。
1import java.util.Collection;
2import java.util.Iterator;
3import java.util.List;
4import java.util.ListIterator;
5
6public class ImprovedList<T> implements List<T>{
7
8 private final List<T> list;
9
10 public ImprovedList(List<T> list) {
11 this.list = list;
12 }
13
14 //同步方法
15 public synchronized boolean putIfAbsent(T x) {
16 boolean contains = list.contains(x);
17 if(!contains)
18 list.add(x);
19 return contains;
20 }
21
22 @Override
23 public synchronized boolean add(T arg0) {
24 list.add(arg0);
25 return false;
26 }
27
28 @Override
29 public synchronized void clear() {
30 // TODO Auto-generated method stub
31 list.clear();
32 }
33
34 //按照此同步方式实现其他方法
35
36}
ImprovedList 增加了一层自身的内置锁，它不用关心底层的 List 是否线程安全或者底层 List 修改了他自己的加锁实现，ImprovedList 都能构提供一致的加锁机制来实现线程安全性。当然，加多一层锁会导致性能损失，但是 ImprovedList 相比前面两种方式也更加健壮。
上面就是构建安全类的所有内容，希望对你有所帮助，谢谢！！
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