【高并发】信不信?以面向对象的思想是可以写好高并发程序的!

简介: 最近,有小伙伴留言,现在大部分开发都是面向对象开发,那如何以面向对象的方式写好并发程序呢?那好,今天我们就来聊聊这个话题。

前言

面向对象思想与并发编程有关系吗?本来二者是没有什么鸟关系的!它们是分属两个不同的领域,但是,Java却将二者融合在一起了!而且融合的效果不错:我们利用Java的面向对象的思想能够让并发编程变得更加简单!!

那我们如何利用面向对象的思想写好并发程序呢?我们可以从下面三个角度进行分析。

  • 封装共享变量
  • 识别共享变量间的约束条件
  • 指定并发访问策略

封装共享变量

在编写并发程序时,我们关注的一个核心问题,其实就是解决多线程同时访问共享变量的问题!

面向对象思想中有一个很重要的特性:封装。简单的说,封装就是将属性和实现细节封装到对象的内部,外界对象只能通过目标对象提供的公共方法来间接访问内部属性。我们把共享变量作为对象的属性,那么,对于共享变量的访问路径就是对象的公共方法,所有公共方法的入口都要设置并发访问策略。

所以,我们得出一个结论:利用面向对象思想写并发程序其实挺简单,就是将共享变量作为对象属性封装在内部,对所有的公共方法指定并发访问策略!

比如,我们在很多业务场景中都会用到计数器,我们可以将计数器类定义成如下所示。

public class Counter{
    private long count;
    public synchronized long incrementCount(){
        return ++count;
    }
    public synchronized long getCount(){
        return count;
    }
}

在上面的Counter类中,存在一个共享变量count,对外提供的两个公共方法incrementCount()和getCount()设置了synchronized同步锁,此时,Counter类就是一个线程安全的类了。

在实际工作中,很多场景比计数器的实现复杂的多,比如,我们的银行账户中,有卡号、姓名、身份证、余额等共享变量,我们没有必要对每个共享变量都要考虑并发问题。此时,我们就需要仔细分析这些共享变量,看这些共享变量中哪些变量是不变的。对于我们的银行账户来说,卡号、姓名、身份证这三个共享变量就是不变的。对于这些不变的共享变量,我们可以使用final关键字来修饰它们,避免并发问题。

最后,需要注意的是,对共享变量进行封装时,要注意”对象逃逸“的问题!例如,下面的程序代码,在构造函数中将this赋值给了全局变量global.obj,此时对象初始化还没有完成,此时对象初始化还没有完成,此时对象初始化还没有完成,重要的事情说三遍!!线程通过global.obj读取的x值可能为0。此时对象this就“逃逸”了。

final x = 0;
public FinalFieldExample() { // bad!
  x = 3;
  y = 4;
  // bad construction - allowing this to escape
  global.obj = this;
}

以上示例来源于:http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#finalWrong

识别共享变量间的约束条件

共享变量间的约束条件非常重要,因为它们决定了并发访问策略。

例如,在商城业务中,对于商品的库存管理中有个合理库存的概念,库存量不能太高,也不能太低,这个值有一个上限和一个下限。例如,下面的类模拟了这个合理的库存概念。

public class Stock{
    //库存的上限
    private final AtomicLong upper = new AtomicLong(0);
    //库存的下限
    private final AtomicLong lower = new AtomicLong(0);
    //设置库存上限
    public void setUpper(long v){
        upper.set(v);
    }
    //设置库存下限
    public void setLower(long v){
        lower.set(v);
    }
    //其他众多的代码省略
}

乍一看,上面的程序没问题啊!但是,其忽略了一个约束条件,就是库存的下限要小于库存的上限。这也是很多人容易忽略的问题。

看到这里,很多人的第一反应就是在setUpper()方法和setLower()方法中,添加参数校验逻辑,例如,改造后的Stock类如下所示。

public class Stock{
    //库存的上限
    private final AtomicLong upper = new AtomicLong(0);
    //库存的下限
    private final AtomicLong lower = new AtomicLong(0);
    //设置库存上限
    public void setUpper(long v){
        if(v < lower.get()){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        upper.set(v);
    }
    //设置库存下限
    public void setLower(long v){
        if(v > upper.get()){
             throw new IllegalArgumentException();
        }
        lower.set(v);
    }
    //其他众多的代码省略
}

这样设置正确吗?答案是:这样设置完全不同保证库存的下限小于库存的上限。

其实,这里存在竞态条件(当程序中出现 if 语句的时候,应该首先反应出程序是否有竞态条件),关于竞态条件的详细讲解可以参见《【高并发】要想学好并发编程,关键是要理解这三个核心问题》。

假设,原有库存的上限为10,下限为3。此时线程A调用setUpper(5)将库存的上限设置为5,线程B调用setLower(7)将库存的下限设置为8,如果线程A和线程B同时执行,线程A会通过参数校验,因为此时库存的下限还没有被线程B设置完毕,此时的库存下限还是3,5>3成立,所以,线程A会将库存的上限设置为5。同样的,线程B也能够通过参数校验,因为此时库存的上限还没有被线程A设置完毕,此时库存的上限还是10,8<10成立,线程B会将库存的下限设置为8。最终的结果为:库存的上限为5,下限为8。库存的上限小于下限,不满足上限小于下限的约束条件。

所以,大家在识别共享变量间的约束条件时,一定要注意竞态条件的问题!

制定并发访问策略

制定并发访问策略比较复杂,它需要结合具体的业务场景进行选择。但是从方案上,我们可以将其总结成如下方案。

避免共享

可以利用线程本地存储和为每个任务分配独立的线程来避免共享。

不变模式

这个在Java中使用的比较少,在其他的领域使用的比较多,例如Actor模式,CSP模式和函数式编程。

管程和其他同步工具

Java中对于并发编程万能的解决方案就是管程(关于什么是管程后面的文章会讲解),但是对于很多特定的并发场景来说,使用Java并发包提供的读写锁、并发容器等同步工具比较好。

我们在编写并发程序时,也要遵循一定的原则,这些原则可以归纳如下。

优先使用成熟的工具类

对于并发编程来说,我们最好优先使用Java中提供的并发工具类,因为这些并发工具类基本上能够满足大部分并发的业务场景。

尽量不要使用低级的同步原语

低级的同步原语指的是synchronized,Lock和Semaphore等,这些使用起来虽然简单,但实际上并没有那么简单,使用的时候一定要小心。不到万不得已的时候,尽量不要使用它们。

避免过早优化

安全第一,并发编程首先要保证的就是线程安全,出现性能瓶颈之后再优化,不要过早和过度的优化。

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