Java线程安全类创建

前言

几乎每个 Java 应用程序都使用线程。像 Tomcat 这样的 Web 服务器在单独的工作线程中处理每个请求，胖客户端在专用工作线程中处理长时间运行的请求，甚至批处理使用 java.util.concurrent.ForkJoinPool 来提高性能。

因此，有必要以线程安全的方式编写类，这可以通过以下技术之一来实现。

无状态

当多个线程访问同一个实例或静态变量时，您必须以某种方式协调对该变量的访问。最简单的方法就是避免使用实例或静态变量。没有实例变量的类中的方法只使用局部变量和方法参数。下面的例子展示了这样一个方法，它是类 java.lang.Math 的一部分：

public static int subtractExact(int x, int y) {
    int r = x - y;
    if (((x ^ y) & (x ^ r)) < 0) {
        throw new ArithmeticException("integer overflow");
    }
    return r;
}

没有共享状态

如果您无法避免状态，请不要共享状态。状态应该只由单个线程拥有。这种技术的一个例子是 SWT 或 Swing 图形用户界面框架的事件处理线程。

您可以通过扩展线程类并添加实例变量来实现线程局部实例变量。在以下示例中，字段 pool 和 workQueue 对于单个工作线程是本地的。

package java.util.concurrent;
public class ForkJoinWorkerThread extends Thread {
    final ForkJoinPool pool;                
    final ForkJoinPool.WorkQueue workQueue; 
}

实现线程局部变量的另一种方法是将类 java.lang.ThreadLocal 用于要使线程局部的字段。下面是一个使用 java.lang.ThreadLocal 的实例变量示例：

public class CallbackState {
public static final ThreadLocal<CallbackStatePerThread> callbackStatePerThread = 
    new ThreadLocal<CallbackStatePerThread>()
   {
      @Override
        protected CallbackStatePerThread  initialValue()
      { 
       return getOrCreateCallbackStatePerThread();
      }
   };
}

您将实例变量的类型包装在 java.lang.ThreadLocal 中。您可以通过方法 initialValue() 为您的 java.lang.ThreadLocal 提供初始值。

下面展示了如何使用实例变量：

CallbackStatePerThread callbackStatePerThread = CallbackState.callbackStatePerThread.get();

通过调用 get() 方法，您会收到与当前线程关联的对象。

由于在应用程序服务器中，使用许多线程池来处理请求，因此 java.lang.ThreadLocal 会导致此环境中的内存消耗很高。因此，不建议将 java.lang.ThreadLocal 用于由应用程序服务器的请求处理线程执行的类。

消息传递

如果您不使用上述技术共享状态，则需要一种线程进行通信的方式。做到这一点的一种技术是在线程之间传递消息。您可以使用 java.util.concurrent 包中的并发队列实现消息传递。或者，更好的是，使用Akka 之类的框架，这是一个演员风格并发的框架。以下示例显示了如何使用 Akka 发送消息：

target.tell(message, getSelf());

并收到一条消息：

@Override
public Receive createReceive() {
     return receiveBuilder()
        .match(String.class, s -> System.out.println(s.toLowerCase()))
        .build();
}

不可变状态

为了避免发送线程在另一个线程读取消息时更改消息的问题，消息应该是不可变的。因此，Akka 框架的约定是所有消息都必须是不可变的

当你实现一个不可变类时，你应该将它的字段声明为 final。这不仅可以确保编译器可以检查这些字段实际上是不可变的，而且即使它们被错误地发布，也可以使它们正确初始化。这是最终实例变量的示例：

public class ExampleFinalField
{
    private final int finalField;
    public ExampleFinalField(int value)
    {
        this.finalField = value;
    }
}

使用来自 java.util.concurrent 的数据结构

消息传递使用并发队列进行线程之间的通信。并发队列是 java.util.concurrent 包中提供的数据结构之一。这个包提供了并发映射、队列、出队、集合和列表的类。这些数据结构经过高度优化和线程安全测试。

同步块

如果您不能使用上述技术之一，请使用同步锁。通过将锁放在同步块中，您可以确保一次只有一个线程可以执行此部分。

synchronized(lock)
{
    i++;
}

请注意，当您使用多个嵌套同步块时，可能会出现死锁。当两个线程试图获取另一个线程持有的锁时，就会发生死锁。

易失性领域

正常的非易失性字段可以缓存在寄存器或缓存中。通过将变量声明为 volatile，您可以告诉JVM和编译器始终返回最新写入的值。这不仅适用于变量本身，还适用于线程写入 volatile 字段的所有值。下面显示了一个 volatile 实例变量的示例：

public class ExampleVolatileField
{
    private volatile int  volatileField;
}

如果写入不依赖于当前值，您可以使用 volatile 字段。或者，如果您可以确保一次只有一个线程可以更新该字段。

总结