Java Concurrency #8 - Safe Publification

• 透過私有建構子 + 靜態工廠(詳見第5篇)

• ThreadLocal(詳見第6篇)

• Immutable holder class(詳見第7篇)

  // ...(略)
  // Unsafe publication
  public Holder holder;
  public void initialize() {
      holder = new Holder(42);
  }

• 也許你會覺得奇怪，不是已經把 state 都藏在 Holder 裡了嗎？
• 這是因為 visibility 的關係，多個執行緒可能會造成 Holder 的實例建立不完全(物件建立的流程請參閱Thinking In Java)

• 一個執行緒可能會看到 holder 物件的值為 null，在下一毫秒又突然變成包含 42 的實例，即使過程中都沒看到 holder 被修改
• 驗證可能會發生狀態不一致的程式如下:

    public class Holder {
        private int n;
        public Holder(int n) {
            this.n = n;
        }
        public void assertSanity() {
            if (n != n)
                throw new AssertionError("This statement is false.");
        }
    }

  • 如果 Holder 在一個執行緒中被公開了，另一個執行緒呼叫 assertSanity 是有機會拋出 Error 的
  • 因為並沒有使用同步的機制公開Holder，因此這是一個不安全的公開物的方式

• 究竟有多麼重要呢？重要到 Java Memory Model 特別保證其初始化是絕對執行緒安全的，因此共享沒問題
• 前面很多範例中我們知道物件參考在別的執行緒可看見，並不代表它的 state 也是可看見的，要確保這件事必須要同步
• Immutable object 不需要同步也能確保執行緒安全，而為了讓那個特別保證能成立，以下的條件是必然不可違反的:
  • state 無法被修改
  • 所有的 field 都加上 final
  • 正確地建立物件(上面的 Holder 就有機會不被正確建立)
• 特別留意一件事，final field 指向的如果是正確建立的物件，那就不需要同步，但如果指向的是 mutable object，那同步仍然是需要的(final field 只是代表參考不能再指向別的物件，不代表那個物件本身的 state 不會變)

• 物件參考與其指向的物件都必須是可見的(Visible)，這可以透過以下幾個方法達成:
  • 在靜態初始化(static initializer)物件參考
  • 以 volatile 的參考指向物件，或將物件放在 AtomicReference 內
  • 將物件放在一個被正確建立的 final field 中
  • 將物件的存取都以 lock 的機制保護住

•  指的是如果執行緒 A 把某個物件 X 放到集合中，執行緒 B 看到的 X 會如執行緒 A 當初放得那樣，但這件事並沒有顯而易見的同步機制保護著
  •  在這種情況下，這些集合的實作是符合前述的安全公開物件方法，例如 java.util.Vector 或是 Collections.synchronizedList
•  即使 Javadoc 本身並沒有明確說明，執行緒安全集合的 library 提供如下的服務:
  •  Hashtable, synchronizedMap, ConcurrentMap 是安全公開放置在其中的 key/value
  •  Vector, CopyOnWriteArrayList, CopyOnWriteArraySet 是安全公開放置在其中的物件
  •  BlockingQueue, ConcurrentLinkedQueue 是安全公開放值在佇列中的物件
•  其他的機制像是 Future 或是 Exchanger 後緒會再提到
•  靜態初始化物件是最簡單的方式
  •  例如 public static Holder holder = new Holder(42)
  •  這是因為靜態初始化是由 JVM 內建的同步機制所保護的，所以以這種方式初始化的物件其公開都是安全的

• immutable object 怎樣公開都行
• effectively immutable object 必須被安全地公開
  • effectively immutable 指的是它不是 immutable 物件，但它的 state 不會再被修改
  • 安全地公開指的是透過前面的方法保護之
• mutable object 要透過 lock 機制使其執行緒安全

• Thread Confined - 那怎麼用都沒差，因為只有該執行緒可以對其存取
• Shared, readonly - 也是怎樣用都可以，這類物件有 immutable object 與 effectively immutable object
• Shared, thread-safe - 執行緒安全做在內部，所以只要透過其公開的介面操作即可
• Guarded - 需要有 lock 才能對其存取