Java并發(fā)編程之對象的組合

更新時(shí)間：2022年04月07日 14:50:30 作者：萬貓學(xué)社

這篇文章主要介紹了Java并發(fā)編程之對象的組合，文章基于Java的相關(guān)資料展開主題內(nèi)容，具有一定的參考價(jià)值，需要的小伙伴可以參考一下

1. 設(shè)計(jì)線程安全的類

在設(shè)計(jì)線程安全類的過程中，需要包含以下三個(gè)基本要素：

找出構(gòu)成對象狀態(tài)的所有變量。
找出約束變量的不變性條件。
建立對象狀態(tài)的并發(fā)訪問管理策略。

1.1 收集同步需求

在很多類中都定義了一些不可變條件，用于判斷狀態(tài)是否有效。比如：計(jì)數(shù)器的取值范圍上存在一個(gè)限制，就是不能是負(fù)值。在操作中還會包含一些后驗(yàn)條件來判斷狀態(tài)遷移是否有有效。比如：計(jì)數(shù)器的當(dāng)前狀態(tài)為8，那么下一個(gè)有效狀態(tài)只能是9。由于不變性條件和后驗(yàn)條件在狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)換上施加了各種約束，因此就需要額外的同步和封裝。

1.2 依賴狀態(tài)的操作

在某些對象的方法中還包含一些基于狀態(tài)的先驗(yàn)條件。比如：不能從空隊(duì)列中移除一個(gè)元素，在刪除元素前，隊(duì)列必須處于非空狀態(tài)。如果在某個(gè)操作中包含有基于狀態(tài)的先驗(yàn)條件，那么這個(gè)操作就稱為依賴狀態(tài)的操作。

1.3 狀態(tài)的所有權(quán)

對象封裝了它擁有的狀態(tài)，那么它就擁有封裝狀態(tài)的所有權(quán)。狀態(tài)的所有者將決定采用何種加鎖協(xié)議來維持狀態(tài)的完整性。所有權(quán)意味著控制權(quán)。如果發(fā)布了某個(gè)可變對象的引用，那么就不再擁有獨(dú)占的控制權(quán)，最多是共享控制權(quán)。為了防止多個(gè)線程在并發(fā)訪問同一個(gè)對象時(shí)產(chǎn)生相互干擾，這些對象應(yīng)該要么是線程安全的對象，要么是事實(shí)不可變的對象，或者用同一個(gè)鎖保護(hù)的對象。

2. 實(shí)例封閉

將數(shù)據(jù)封裝在對象內(nèi)部，可以將數(shù)據(jù)的訪問限制在對象的方法上，從而更容易確保線程在訪問數(shù)據(jù)是總能持有正確的鎖。被封閉對象一定不能超過它們既定的作用域。對象可以封閉在類的一個(gè)實(shí)例中，比如：作為類的一個(gè)私有成員；或者封閉在某個(gè)作用域內(nèi)，比如：作為一個(gè)局部變量；或者封閉在線程中，比如：在某個(gè)線程中將對象從一個(gè)方法傳遞到另一個(gè)方法，而不是在多個(gè)線程之間共享該對象。

封閉機(jī)制更易于構(gòu)造線程安全的類，因?yàn)楫?dāng)封閉類的狀態(tài)時(shí)，在分析類的線程安全性時(shí)就無須檢測整個(gè)程序。

2.1 Java監(jiān)視器模式

遵循Java監(jiān)視器模式的對象會把對象的所有可變狀態(tài)都封裝起來，并由對象自己的內(nèi)置鎖來保護(hù)。示例：一個(gè)用于調(diào)度車輛的“車輛跟蹤器”，每臺車都由一個(gè)String對象來標(biāo)識，并且擁有一個(gè)對應(yīng)的位置坐標(biāo)(x,y)。創(chuàng)建一個(gè)追蹤器類用來封裝所有車輛的標(biāo)識和位置，該類由多個(gè)線程（讀取操作和更新操作）共享。

@NotThreadSafe
public class MutablePoint {
    public int x, y;

    public MutablePoint() {
        x = 0;
        y = 0;
    }

    public MutablePoint(MutablePoint p) {
        this.x = p.x;
        this.y = p.y;
    }
}
@ThreadSafe
public class MonitorVehicleTracker {
    @GuardedBy("this") private final Map<String, MutablePoint> locations;

    public MonitorVehicleTracker(Map<String, MutablePoint> locations) {
        this.locations = deepCopy(locations);
    }

    public synchronized Map<String, MutablePoint> getLocations() {
        return deepCopy(locations);
    }

    public synchronized MutablePoint getLocation(String id) {
        MutablePoint loc = locations.get(id);
        return loc == null ? null : new MutablePoint(loc);
    }

    public synchronized void setLocation(String id, int x, int y) {
        MutablePoint loc = locations.get(id);
        if (loc == null)
            throw new IllegalArgumentException("No such ID: " + id);
        loc.x = x;
        loc.y = y;
    }

    private static Map<String, MutablePoint> deepCopy(Map<String, MutablePoint> m) {
        Map<String, MutablePoint> result = new HashMap<String, MutablePoint>();

        for (String id : m.keySet())
            result.put(id, new MutablePoint(m.get(id)));

        return Collections.unmodifiableMap(result);
    }
}

雖然類MutablePoint不是線程安全的，但是追蹤器類是線程安全的。它所包含的Map對象和可變的Point對象都未曾發(fā)布。當(dāng)需要回去車輛的位置時(shí)，通過拷貝構(gòu)造函數(shù)或deepCopy方法復(fù)制正確的值，從而生成一個(gè)新的Map對象。車輛少是，這并不存在性能問，單在車輛數(shù)量非常大的情況下將極大地降低性能。

3. 線程安全性的委托

大多數(shù)對象都是組合對象。當(dāng)從頭開始構(gòu)建一個(gè)類，或者將多個(gè)非線程安全的類組合為一個(gè)類時(shí)，Java監(jiān)視器模式是非常有用的。但是，如果類中的各個(gè)組件都已經(jīng)是線程安全的，那么實(shí)現(xiàn)線程安全就應(yīng)視情況而定。

3.1 基于委托的車輛追蹤器

保存車輛位置信息的Map類，使用線程安全的ConcurrentMap類代替。

使用不可變的Point類來代替MutablePoint類：

public class Point {
    public final int x, y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

在DelegatingVehicleTracker中沒有使用顯式的同步，所有對狀態(tài)的訪問都由ConcurrentHashMap來管理：

@ThreadSafe
public class DelegatingVehicleTracker {
    private final ConcurrentMap<String, Point> locations;
    private final Map<String, Point> unmodifiableMap;

    public DelegatingVehicleTracker(Map<String, Point> points) {
        locations = new ConcurrentHashMap<String, Point>(points);
        unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(locations);
    }

    public Map<String, Point> getLocations() {
        return unmodifiableMap;
    }

    public Point getLocation(String id) {
        return locations.get(id);
    }

    public void setLocation(String id, int x, int y) {
        if (locations.replace(id, new Point(x, y)) == null)
            throw new IllegalArgumentException("invalid vehicle name: " + id);
    }
}

在使用監(jiān)視器模式的車輛追蹤器中返回的是車輛位置的快照，而在使用委托的車輛追蹤器中返回的是一個(gè)不可修改卻實(shí)時(shí)的車輛位置信息。

3.2 獨(dú)立的狀態(tài)變量

我們還可以將線程安全性委托給多個(gè)狀態(tài)變量，只要這些變量是彼此獨(dú)立的，即組合而成的類并不會在其包含的多個(gè)狀態(tài)變量上增加任何不變形條件。

public class VisualComponent {
    private final List<KeyListener> keyListeners
            = new CopyOnWriteArrayList<KeyListener>();
    private final List<MouseListener> mouseListeners
            = new CopyOnWriteArrayList<MouseListener>();

    public void addKeyListener(KeyListener listener) {
        keyListeners.add(listener);
    }

    public void addMouseListener(MouseListener listener) {
        mouseListeners.add(listener);
    }

    public void removeKeyListener(KeyListener listener) {
        keyListeners.remove(listener);
    }

    public void removeMouseListener(MouseListener listener) {
        mouseListeners.remove(listener);
    }
}

VisualComponent類是一個(gè)圖形組件，允許客戶程序注冊監(jiān)控鼠標(biāo)和鍵盤等事件的監(jiān)聽器。在鼠標(biāo)事件監(jiān)聽器和鍵盤事件監(jiān)聽器之間不存在任何關(guān)聯(lián)，二者是彼此獨(dú)立的，因此VisualComponent可以將其線程安全性委托給這兩個(gè)線程安全的監(jiān)聽器列表。

如果一個(gè)類是由多個(gè)獨(dú)立且線程安全的狀態(tài)變量組成，并且在所有的操作中都不包含無效狀態(tài)轉(zhuǎn)換，那么可以將線程安全性委托給底層的狀態(tài)變量。

3.3 發(fā)布底層的狀態(tài)變量

如果一個(gè)狀態(tài)變量是線程安全的，并且沒有任何不變性條件來約束它的值，在變量的操作上也不存在任何不允許的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，那么就可以安全地發(fā)布這個(gè)變量。我們來修改之前的車輛追蹤器的代碼，使其發(fā)布底層的可變狀態(tài)。

首先寫一個(gè)可變并且線程安全的Point類：

public class SafePoint {
    @GuardedBy("this") private int x, y;

    private SafePoint(int[] a) {
        this(a[0], a[1]);
    }

    public SafePoint(SafePoint p) {
        this(p.get());
    }

    public SafePoint(int x, int y) {
        this.set(x, y);
    }

    public synchronized int[] get() {
        return new int[]{x, y};
    }

    public synchronized void set(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }
}

再修改追蹤器的代碼：

public class PublishingVehicleTracker {
    private final Map<String, SafePoint> locations;
    private final Map<String, SafePoint> unmodifiableMap;

    public PublishingVehicleTracker(Map<String, SafePoint> locations) {
        this.locations = new ConcurrentHashMap<String, SafePoint>(locations);
        this.unmodifiableMap = Collections.unmodifiableMap(this.locations);
    }

    public Map<String, SafePoint> getLocations() {
        return unmodifiableMap;
    }

    public SafePoint getLocation(String id) {
        return locations.get(id);
    }

    public void setLocation(String id, int x, int y) {
        if (!locations.containsKey(id))
            throw new IllegalArgumentException("invalid vehicle name: " + id);
        locations.get(id).set(x, y);
    }
}

在PublishingVehicleTracker中，其線程安全性委托給底層的ConcurrentHashMap，只是Map中的元素是線程安全的可變的。getLocations方法返回底層Map對象的一個(gè)不可變副本，調(diào)用者不能增加或刪除車輛，但可以通過修改返回Map中的SafePoint值來修改車輛的問題。

到此這篇關(guān)于Java并發(fā)編程之對象的組合的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java對象的組合內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

您可能感興趣的文章: