Java并发编程2：对象的共享

作者: 康凯森

日期: 2016-11-19

分类: Java

本文将介绍如何共享和发布对象，从而使它们能够安全地由多个线程同时访问。

1 可见性

为了确保多个线程之间对内存写入操作的可见性，必须使用同步机制。

加锁的含义不仅有互斥行为，还包括内存可见性。

2 “重排序”

在没有同步的情况下，编译器、处理器、运行时等都可能对操作的执行顺序进行一些意想不到的调整。在缺乏足够同步的多线程程序中，要想对内存操作的执行顺序进行判断，几乎无法得到正确的结论。

3 非原子的64位操作

在多线程程序中使用共享且可变的long和double等类型的变量也是不安全的，除非用关键字volatile来声明它们，或者用锁保护起来。

4 Volatile变量

volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总会返回最新写入的值。

volatile变量只能确保内存可见性。

volatile变量的一种典型用法：检查某个状态标记以判断是否退出循环。

5 对象的发布与逸出

对象的发布：使对象能够在当前作用域之外的代码中使用。

对象的逸出：某个不应该发布的对象被发布。

当发布一个对象时，在该对象的非私有域中引用的所有对象同样会被发布。

/**
 * bad case: 使内部的可变状态逸出
 * Created by kangkaisen on 2016/11/19.
 */
public class UnsafeStates {
    private String[] states = new String[] { "KKS", "test" };

    public String[] getStates() {
        return states;
    }
}

/**
 * bad case: 隐式地使this引用逸出
 * Created by kangkaisen on 2016/11/19.
 */
public class ThisEscape {
    public ThisEscape(EventSource source) {
        source.addErrorListener(
                new EventListener() {
                    public void onEvent(Event e) {
                        doSomething(e);
                    }
                }
        );
    }
}

如果需要在构造函数中注册一个事件监听器或启动线程，那么可以使用一个私有的构造函数和一个公共的工厂方法。

6 线程封闭

线程封闭：仅在单线程内访问数据。

  • 栈封闭：只能通过局部变量才能访问对象。
  • ThreadLocal。

7 不变性

不可变对象：一个对象在创建后其状态就不能被修改，则称此对象是不可变对象。

不可变对象一定是线程安全的。

不可变对象需要满足的条件：

  • 对象创建以后其状态就不可改变。
  • 对象的所有域都是final类型。
  • 对象是正确创建的（在对象的创建期间，this引用没有逸出）

final域能够确保初始化过程中的安全性，从而可以不受限制地访问不可变对象，并在共享这些对象时无须同步。

除非某个域是可变的，否则应将其声明为final域。

每当需要对一组相关数据以原子方式执行某个操作时，就可以考虑创建一个不可变类来包含这些数据。也就是说，对于在访问和更新多个相关变量时出现的竞争条件问题，可以通过将这些变量全部保存在一个不可变对象中来消除。

8 安全发布

一个正确构造的对象可以通过以下方式来安全地发布：

  • 在静态初始化函数中初始化一个对象引用。
  • 将对象的引用保存到volatile类型的域或者AtomicReference对象中。
  • 将对象的引用保存到某个正确构造对象的final类型域中。
  • 将对象的引用保存到一个由锁保护的域中。

9 总结

对象的发布需求取决于它的可变性：

  • 不可变对象可以通过任意机制来发布。
  • 事实不可变对象（技术上是可变的，但是状态在发布后不再改变。例如Date对象）必须通过安全方式来发布。
  • 可变对象必须通过安全方式来发布，并且必须是线程安全的或者是由某个锁保护起来。

在并发程序中使用和共享对象时，可以使用的一些实用策略：

  • 线程封闭。
  • 只读共享：不可变对象和事实不可变对象。
  • 线程安全共享。
  • 保护对象 ：被保护的对象只能通过持有特定的锁来访问。

10 参考资料

本文是《Java 并发编程实战》的读书笔记。

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