Java多線程環境下對象安全的構建方式

xuexiangjys 發布于2019-08-15 12:04 / 3329人閱讀

摘要：在構建一個對象的過程中，更要考慮到多線程間共享數據的一致性問題，否則很可能會發生一個在線程中構建完整的對象，在線程中看到的卻只被構建了一部分。例如下面的代碼上面的代碼本意是想實現一個單例模式，但在多線程環境下，這個單例模式將很容易被打破。

在上一篇文章《從Java多線程可見性談Happens-Before原則》中，我們詳細討論了在并發編程中Happens-Before原則對多線程共享變量的重要性。要想確保讓一個線程對共享變量的修改能被其它線程感知到，就必須讓兩個線程中的操作滿足Happens-Before原則。
在構建一個對象的過程中，更要考慮到多線程間共享數據的一致性問題，否則很可能會發生一個在A線程中構建完整的對象，在B線程中看到的卻只被構建了一部分。例如下面的代碼：

public class UnsafeLazyInitialization {
    private static Resource resource;
    
    public static Resource getInstance() {
        if(resource == null) {
            resource = new Resource();
        }
        return resource;
    }
}

上面的代碼本意是想實現一個單例模式，但在多線程環境下，這個單例模式將很容易被打破。
首先，resource是一個普通變量，當一個線程更新resource變量的值時，其它線程可能無法感知到resource引用已經指向了一個創建好的對象，所以可能會導致程序創建多個Resource對象。
更糟糕的是重排序，在線程A中是先初始化Resource對象的各個field之后再將resource引用設置為指向它，線程B看到的可能是對引用變量resource的寫入操作在對Resource對象各個field的寫入操作之前發生。這會導致線程B看到的是一個被部分構造的Resource對象實例，該對象可能處于無效狀態。
為了解決上面的問題，我們可以套用Happens-Before規則。例如在getInstance方法上聲明synchronized。
然而對于構建一個對象實例的操作，除了可以使用Happens-Before原則外，我們利用下面兩種方式也可以保證對象的構建狀態被正確發布到其它線程。

靜態初始化器

靜態初始化器是由JVM在類的初始化階段執行，即在類被加載后并且被線程使用前。在靜態初始化期間，內存寫入操作將自動對所有線程可見。所以上面的程序改下成如下代碼將會確保Resource對象被正確發布到其它線程：

public class EagerInitialization {
    private static Resource resource = new Resource();
    
    public static Resource getInstance() {
        return resource;
    }
}

含有final域的對象

對于含有final域的對象，初始化安全性可以防止對對象引用的寫入操作被重排序到對象構造過程之前。在構造函數完成時，構造函數對final域的所有寫入操作，以及通過final域可以到達的任何變量的寫入操作，都能夠被獲取到該對象引用的線程看到。例如下面的代碼：

public class FinalInitialization {
    private static final Resource resource;
    
    public static Resource getInstance() {
        if(resource == null) {
            resource = new Resource();
        }
        return resource;
    }
}

在上面的代碼中，將resource變量聲明為final類型的。這樣可以保證，無論哪個線程，只要獲取到對象的引用的值，就一定可以看到一個被完整構建的Resource對象。
但是此處的resource引用變量本身仍然需要其他機制保證可以對其它線程可見。

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