多线程并发设计模式(十九)不变性设计

　　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。

　　不再变化第一个想到的就是final，初始化之后就不可变。

　　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。如果说final的是一个集合，那么这个集合是继续可变的，所以需要不给他写方法。JDK提供了一些不可变的方法。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。他们有三个要求：类和属性都是 final 的，所有方法均是只读的。

　　String好像是一个提供可替换等API的对象，但其实底层的是选择新建一个进行替换。

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);
  }
}

　　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？　

　　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。

　　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。

　　例如Long里面的设计

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);
  }
}

　　这也导致基本的数据类型其实不适合做为锁，因为看起来是私有的。其实可能是内部缓存池中共享的变量。例如Syn(Integer[这个是1]).

　　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;
  }
}

　　像这种就是可变的，对象也是多个地址聚合成的一个容器。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。

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;
      }
    }
  }
}

　　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。