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線程是編程中常用而且強(qiáng)大的手段，在使用過(guò)程中，我們經(jīng)常面對(duì)的就是線程安全問(wèn)題了。對(duì)于Java中常見(jiàn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)而言，一般的，ArrayList是非線程安全的，Vector是線程安全的;HashMap是非線程安全的，HashTable是線程安全的;StringBuilder是非線程安全的，StringBuffer是線程安全的。

然而，判斷代碼是否線程安全，不能夠想當(dāng)然，例如Java 中的構(gòu)造函數(shù)是否是線程安全的呢?

自己從***感覺(jué)來(lái)看，構(gòu)造函數(shù)應(yīng)該是線程安全的，如果一個(gè)對(duì)象沒(méi)有初始化完成，怎么可能存在競(jìng)爭(zhēng)呢? 甚至在Java 的語(yǔ)言規(guī)范中也談到，沒(méi)有必要將constructor 置為synchronized，因?yàn)樗跇?gòu)建過(guò)程中是鎖定的，其他線程是不可能調(diào)用還沒(méi)有實(shí)例化好的對(duì)象的。

但是，當(dāng)我讀過(guò)了Bruce Eckel 的博客文章，原來(lái)構(gòu)造函數(shù)也并不是線程安全的，本文中的示例代碼和解釋全部來(lái)自Bruce Eckel 的那篇文章。

演示的過(guò)程從 定義一個(gè)接口開(kāi)始：

 
 
 

  
  
  
// HasID.java  
  
  
  
public interface HasID { 
  
  
  
  int getID(); 
  
  
  
} 
 
 
 

有各種方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口，先看看靜態(tài)變量方式的實(shí)現(xiàn)：

 
 
 

  
  
  
// StaticIDField.java 
  
  
  
 
  
  
  
public class StaticIDField implements HasID { 
  
  
  
  private static int counter = 0; 
  
  
  
  private int id = counter++; 
  
  
  
  public int getID() { return id; } 
  
  
  
} 
 
 
 

這是一個(gè)簡(jiǎn)單而無(wú)害的類(lèi)，再構(gòu)造一個(gè)用于并行調(diào)用的測(cè)試類(lèi)：

 
 
 

  
  
  
// IDChecker.java 
  
  
  
import java.util.*; 
  
  
  
import java.util.function.*; 
  
  
  
import java.util.stream.*; 
  
  
  
import java.util.concurrent.*; 
  
  
  
import com.google.common.collect.Sets; 
  
  
  
 
  
  
  
public class IDChecker { 
  
  
  
  public static int SIZE = 100000; 
  
  
  
  static class MakeObjects 
  
  
  
  implements Supplier> { 
  
  
  
    private Supplier gen; 
  
  
  
    public MakeObjects(Supplier gen) { 
  
  
  
      this.gen = gen; 
  
  
  
    } 
  
  
  
    @Override 
  
  
  
    public List get() { 
  
  
  
      return 
  
  
  
        Stream.generate(gen) 
  
  
  
          .limit(SIZE) 
  
  
  
          .map(HasID::getID) 
  
  
  
          .collect(Collectors.toList()); 
  
  
  
    } 
  
  
  
  } 
  
  
  
  public static void test(Supplier gen) { 
  
  
  
    CompletableFuture> 
  
  
  
      groupA = CompletableFuture 
  
  
  
        .supplyAsync(new MakeObjects(gen)), 
  
  
  
      groupB = CompletableFuture 
  
  
  
        .supplyAsync(new MakeObjects(gen)); 
  
  
  
    groupA.thenAcceptBoth(groupB, (a, b) -> { 
  
  
  
      System.out.println( 
  
  
  
        Sets.intersection( 
  
  
  
          Sets.newHashSet(a), 
  
  
  
          Sets.newHashSet(b)).size()); 
  
  
  
    }).join(); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
 
 
 

其中 MakeObjects 是一個(gè) Supplier 通過(guò)get()方法產(chǎn)生一個(gè) List. 這個(gè) List 從 每個(gè)HasID 對(duì)象中得到一個(gè)ID。test() 方法創(chuàng)建了兩個(gè)并行的CompletableFutures 來(lái)運(yùn)行MakeObjects suppliers, 然后就每個(gè)結(jié)果使用Guava庫(kù)的Sets.intersection() 來(lái)找出兩個(gè)List中有多少個(gè)共有的ID?，F(xiàn)在，測(cè)試一下多個(gè)并發(fā)任務(wù)調(diào)用這個(gè)StaticIDField類(lèi)的結(jié)果：

 
 
 

  
  
  
// TestStaticIDField.java 
  
  
  
 
  
  
  
public class TestStaticIDField { 
  
  
  
  public static void main(String[] args) { 
  
  
  
    IDChecker.test(StaticIDField::new); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
/* Output: 
  
  
  
47643 
  
  
  
*/ 
 
 
 

有大量的重復(fù)值，顯然 static int 不是線程安全的，需要用AtomicInteger 嘗試一下：

 
 
 

  
  
  
// GuardedIDField.java 
  
  
  
import java.util.concurrent.atomic.*; 
  
  
  
 
  
  
  
public class GuardedIDField implements HasID { 
  
  
  
  private static AtomicInteger counter = 
  
  
  
    new AtomicInteger(); 
  
  
  
  private int id = counter.getAndAdd(1); 
  
  
  
  public int getID() { return id; } 
  
  
  
  public static void main(String[] args) { 
  
  
  
    IDChecker.test(GuardedIDField::new); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
/* Output: 
  
  
  
0 
  
  
  
*/ 
 
 
 

通過(guò)構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)來(lái)共享狀態(tài)同樣是對(duì)線程安全敏感的：

 
 
 

  
  
  
// SharedConstructorArgument.java 
  
  
  
import java.util.concurrent.atomic.*; 
  
  
  
 
  
  
  
interface SharedArg { 
  
  
  
  int get(); 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
class Unsafe implements SharedArg { 
  
  
  
  private int i = 0; 
  
  
  
  public int get() { return i++; } 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
class Safe implements SharedArg { 
  
  
  
  private static AtomicInteger counter = 
  
  
  
    new AtomicInteger(); 
  
  
  
  public int get() { 
  
  
  
    return counter.getAndAdd(1); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
class SharedUser implements HasID { 
  
  
  
  private final int id; 
  
  
  
  public SharedUser(SharedArg sa) { 
  
  
  
    id = sa.get(); 
  
  
  
  } 
  
  
  
  @Override 
  
  
  
  public int getID() { return id; } 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
public class SharedConstructorArgument { 
  
  
  
  public static void main(String[] args) { 
  
  
  
    Unsafe unsafe = new Unsafe(); 
  
  
  
    IDChecker.test(() -> new SharedUser(unsafe)); 
  
  
  
    Safe safe = new Safe(); 
  
  
  
    IDChecker.test(() -> new SharedUser(safe)); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
/* Output: 
  
  
  
47747 
  
  
  
0 
  
  
  
*/ 
 
 
 

這里，SharedUser的構(gòu)造函數(shù)共享了相同的參數(shù)，SharedUser 理所當(dāng)然的使用了這些參數(shù)，構(gòu)造函數(shù)引起了沖突，而自身并不知道失控了。

Java 中并不支持對(duì)構(gòu)造函數(shù)synchronized，但實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)synchronized 塊的，例如：

 
 
 

  
  
  
// SynchronizedConstructor.java 
  
  
  
import java.util.concurrent.atomic.*; 
  
  
  
 
  
  
  
class SyncConstructor implements HasID { 
  
  
  
  private final int id; 
  
  
  
  private static Object constructorLock = new Object(); 
  
  
  
  public SyncConstructor(SharedArg sa) { 
  
  
  
    synchronized(constructorLock) { 
  
  
  
      id = sa.get(); 
  
  
  
    } 
  
  
  
  } 
  
  
  
  @Override 
  
  
  
  public int getID() { return id; } 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
public class SynchronizedConstructor { 
  
  
  
  public static void main(String[] args) { 
  
  
  
    Unsafe unsafe = new Unsafe(); 
  
  
  
    IDChecker.test(() -> new SyncConstructor(unsafe)); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
/* Output: 
  
  
  
0 
  
  
  
*/ 
 
 
 

這樣，就是線程安全的了。另一種方式是避免構(gòu)造函數(shù)的集成，通過(guò)一個(gè)靜態(tài)工廠的方法來(lái)生成對(duì)象：

 
 
 

  
  
  
// SynchronizedFactory.java 
  
  
  
import java.util.concurrent.atomic.*; 
  
  
  
 
  
  
  
class SyncFactory implements HasID { 
  
  
  
  private final int id; 
  
  
  
  private SyncFactory(SharedArg sa) { 
  
  
  
    id = sa.get(); 
  
  
  
  } 
  
  
  
  @Override 
  
  
  
  public int getID() { return id; } 
  
  
  
  public static synchronized 
  
  
  
  SyncFactory factory(SharedArg sa) { 
  
  
  
    return new SyncFactory(sa); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
 
  
  
  
public class SynchronizedFactory { 
  
  
  
  public static void main(String[] args) { 
  
  
  
    Unsafe unsafe = new Unsafe(); 
  
  
  
    IDChecker.test(() -> 
  
  
  
      SyncFactory.factory(unsafe)); 
  
  
  
  } 
  
  
  
} 
  
  
  
/* Output: 
  
  
  
0 
  
  
  
*/ 
 
 
 

這樣通過(guò)工廠方法來(lái)實(shí)現(xiàn)加鎖就可以安全了。

這樣的結(jié)果對(duì)于老碼農(nóng)來(lái)說(shuō)，并不意外，因?yàn)榫€程安全取決于那三競(jìng)爭(zhēng)條件的成立：

1. 兩個(gè)處理共享變量
2. 至少一個(gè)處理會(huì)對(duì)變量進(jìn)行修改
3. 一個(gè)處理未完成前另一個(gè)處理會(huì)介入進(jìn)來(lái)

示例程序中主要是用鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這一點(diǎn)上，erlang實(shí)際上具有著先天的優(yōu)勢(shì)。紙上得來(lái)終覺(jué)淺，終于開(kāi)始在自己的虛擬機(jī)上開(kāi)始安裝Java 8 了，否則示例程序都跑不通了。對(duì)完成線程安全而言————

規(guī)避一，沒(méi)有共享內(nèi)存，就不存在競(jìng)態(tài)條件了，例如利用獨(dú)立進(jìn)程和actor模型。

規(guī)避二，比如C++中的const，scala中的val，Java中的immutable

規(guī)避三, 不介入，使用協(xié)調(diào)模式的線程如coroutine等，也可以使用表示不便介入的標(biāo)識(shí)——鎖、mutex、semaphore，實(shí)際上是使用中的狀態(tài)令牌。

***，簡(jiǎn)單粗暴地說(shuō)， share nothing 基本上可以從根本上解決線程安全吧。

【本文來(lái)自專欄作者“老曹”的原創(chuàng)文章，作者微信公眾號(hào)：喔家ArchiSelf,id:wrieless-com】

網(wǎng)站欄目：老曹：從構(gòu)造函數(shù)看線程安全
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