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Java Concurrency #6 - Thread Confinement

程式語言

2021/08/06, 週五

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存取 shared, mutable state 會需要處理同步，一個不需要同步的方式就是，不要 share
- 如果 state 只從單一 Thread 存取，那就不需要同步
  - 這個技巧叫作 Thread Confinement，是達到執行緒安全最簡的方式之一
  - 如果寫過 Java Swing 桌面應用程式的人，Swing 是透過 EDT(Event Dispatch Thread) 來達到 Thread Confienment
  - 另一個範例就是 pooled JDBC 連線物件
    - 正常來說一個典型的網頁應用程式，一個 request 會是一個 Thread 去處理，該 Thread 向 connection pool 要一個 Connection
    - 承上，該 Connection 在該 Thread 用完並回傳之前，thread pool 都不會再分發給別的執行緒
    - 因此，Connection 就被侷限在該 Thread，直到所有的工作都做完為止
- 就如同 Java 語言本身並不強制開發人員對 state 以 lock 保護之，Thread Confinement 也只是設計中需考慮的一個環節
  - 在 Java 有 local variable 或是 ThreadLocal 可以協助達到 Thread Confinement，但那也要設計者有考量到
  - 程式設計師的工作就是要確保物件不會逃出該單一執行緒
- 以下是幾種達到 Thread Confinement 的方式
  - 即時 Thread Confiement
    - 責任落在實作上
    - 有點脆弱，因為沒有任何語言特性可以協助
    - 通常是為了實作一個特殊的子系統，如 GUI 應用程式，在帶來的好處遠大於其脆弱性時的考量
    - 盡量少用
  - Stack Confinement
    - 存取的物件本身只能透過 local variable 達成
    - local variable 天生就被侷限在執行緒內，它存活在該 thread 的 stack 上，這是其他執行緒所存取不到的
    - 又稱 within-thread/thread-local 大絕
    - 以下是一個範例:
```
  public int loadTheArk(Collection<Animal> candidates) {
      SortedSet<Animal> animals;
      int numPairs = 0;
      Animal candidate = null;
      animals = new TreeSet<Animal>(new SpeciesGenderComparator());
      animals.addAll(candidates);
      for (Animal a : animals) {
          if (candidate == null || !candidate.isPotentialMate(a))
              candidate = a;
          else {
              ark.load(new AnimalPair(candidate, a));
              ++numPairs;
              candidate = null;
          }
      }
      return numPairs;
  }
```
      - 對於 primitive type 來說，你刻意想違反 stack confinement 還做不到，因為該類型的變數根本沒有參考可以取得，因此它天生麗質。但物件參考就要花一點工夫來處理了
      - 範例中 animals 是一個初始化的 TreeSet，被拿來管理一群動物，而該變數是 local variable，只有單一執行緒可以存取，只要沒人不小心把 animals 公開，就不會有問題
      - 然而這件事最好是以文件記錄，否則其他的開發人員在不知情的情況下有可能將 animals 給公開了(公開的方法如前篇所述)
  - ThreadLocal
    - 最正式的 Thread Confinement 方式
    - 每一個 Thread 都可以持有一個用來存值的物件
    - 它有 get 與 set 方法，取得或設定該執行緒所以持有物件的值
    - 設計上適用於有 state 的 Singleton 或是 global variable，比方說一個 global 的 JDBC connection
    - 以下是透過 ThreadLocal 處理 Connection 的方法:
```
  private static ThreadLocal<Connection> connectionHolder = new ThreadLocal<Connection>() {
      public Connection initialValue() {
          return DriverManager.getConnection(DB_URL);
      }
  };
  public static Connection getConnection() {
      return connectionHolder.get();
  }
```
      - 如此每一個 Thread 便能持有自己的一份 Connection
    - ThreadLocal 的使用情境是需要一個暫時的 buffer 來處理某些邏輯，並且不希望這個物件每次使用的時候都起一個新的
      - Integer.toString 在 Java 5.0 之前是透過 ThreadLocal 處理的
      - 現在則是透過 local variable char[] buf 處理
    - 執行緒第一次呼叫 ThreadLocal.get 的時候會提供一個給該執行緒專用的值
      - 概念上 ThreadLocal 就像是一個 Map<Thread, T>，雖然實際上並非這樣實作的
      - ThreadLocal 內存放的值會隨著 Thread 的結束而一併被回收(Garbage Collected)