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4 分鐘閱讀時間 (867 個字)

Java Concurrency #9 - Composing Objects

程式語言

2021年8月06日, 星期五

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目前為止我們談了很多底層的基礎如執緒行安全與同步，但每次寫程式都要分析每段記憶體存取是否安全很累，此篇的重點就在於如何較輕鬆建構執行緒安全的物件
- 設計一個執行緒安全的類別的流程如下:
  - 找出所有構成物件 state 的變數
  - 找出那些 state 受到什麼樣的不變量(Invariant)限制
  - 建立一個管理同步存取的機制
- 物件都是由成員變數所組成的，如果它們全部都是原始型態(primitive type)，那麼就構成了整個物件的 state
  - 如下方程式碼所示:
```
  public final class Counter {
      private long value = 0;
      public synchronized long getValue() {
          return value;
      }
      public synchronized long increment() {
          if(value == Long.MAX_SIZE) {
              throw new IllegalStateException("counter overflow")
          }
          return ++counter;
      }
  }
```
    - 上面是典型的 Java Monitor Pattern
    - Counter 這個類別只有一個 field，其物件的 state 就由它獨自組成
    - 在這裡的 invariant 就是我遞增之後值要加一，不論在任何執行緒看到的結果都是如此
    - 透過 synchronized 管控取值與遞增，可以確保此類別所建立的物件皆為執行緒安全
- 如果物件的成員變數包含了參考到其它物件的話，那物件的 state 就要連那些被參考到的物件的 state 也考量在內
  - 舉例來說 LinkedList 所參考到的所有 Node 的 state 會是構成 LinkedList 本身的 state 的要素之一
  - 同步的政策決定了如何與其 state 互動而不破壞 invariant，這通常是思考 Immutability, Thread Confinement, Locking 要透過什麼樣的組合來確保執行緒安全
- 執行緒安全就是在並行存取的時候還能保持不變量
  - 物件與變數都有其值域，這個值域愈小，複雜度愈低，可以的話 final 就好
  - 比方說上面的 Counter，正常來說 long 的值域是從 Long.MIN_VALUE 到 Long.MAX_VALUE，但在 Counter 中限制負值的存在，因此它的 invariant 就是其 state value 必須為正整數
  - 此外，有的操作是有所謂的 post-condition 的，以上面的 Counter 當例子，如果現在的 value 是 17，那下一個正確的值只能是 18
    - pre-condition 是在執行某條指令前必須成立的條件，比方說 setHour(int hour) 這個方法，它的 pre-condition 就是傳入的參數 hour 必須是介於 0-23 之間
    - post-condition 是在執行某條指令後必須成立的條件，例子已經看過了
  - 當 state 的值域是受限的，或是有 post-condition 的存在，處理執行緒安全的時候會需要更多的同步或封裝
    - 如果 state 在某些值的情況下是錯誤的，那就要封裝這個 state，不讓 client 端不小心設到錯誤的值
    - 如果操作本身不是 atomic，就必須以同步的方式處理之
    - 如果沒有以上的限制，那就可以相對少封裝且效能也比較好
- 有些操作是依賴於 state 的，我們稱作 State-dependent operations
  - 比方說無法對一個空的佇列呼叫 remove，因為佇列必須在非空的狀態下才能從中移除元素
  - 在單執行緒的時候，如果方法的前提不成立，那就只會執行失敗
  - 在多執行緒的時候，事情就沒這麼單純了，因為另一個執行緒可能會因為現在的執行緒做了某項操作(e.g. 塞值)，而使得前提條件成立了。因此在並行的程式中，等待某個條件成立才操作是可行的
  - 內建的 wait 與 notify 正是這樣的機制然而:
    - 它們跟內建鎖(Intrinsic lock)綁得很緊，使得實作上不太簡單
    - 使用 Synchronizers 像是 BlockingQueue, Semaphore 會單純許多
    - 以上兩類型的實作都會在後續的篇章中提及