【高并發】信不信？以面向對象的思想是可以寫好高并發程式的！

前言

面向對象思想與并發程式設計有關系嗎？本來二者是沒有什麼鳥關系的！它們是分屬兩個不同的領域，但是，Java卻将二者融合在一起了！而且融合的效果不錯：我們利用Java的面向對象的思想能夠讓并發程式設計變得更加簡單！！

那我們如何利用面向對象的思想寫好并發程式呢？我們可以從下面三個角度進行分析。

• 封裝共享變量
• 識别共享變量間的限制條件
• 指定并發通路政策

在編寫并發程式時，我們關注的一個核心問題，其實就是解決多線程同時通路共享變量的問題！

面向對象思想中有一個很重要的特性：封裝。簡單的說，封裝就是将屬性和實作細節封裝到對象的内部，外界對象隻能通過目标對象提供的公共方法來間接通路内部屬性。我們把共享變量作為對象的屬性，那麼，對于共享變量的通路路徑就是對象的公共方法，所有公共方法的入口都要設定并發通路政策。

是以，我們得出一個結論：利用面向對象思想寫并發程式其實挺簡單，就是将共享變量作為對象屬性封裝在内部，對所有的公共方法指定并發通路政策！

比如，我們在很多業務場景中都會用到計數器，我們可以将計數器類定義成如下所示。

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

在上面的Counter類中，存在一個共享變量count，對外提供的兩個公共方法incrementCount()和getCount()設定了synchronized同步鎖，此時，Counter類就是一個線程安全的類了。

在實際工作中，很多場景比計數器的實作複雜的多，比如，我們的銀行賬戶中，有卡号、姓名、身份證、餘額等共享變量，我們沒有必要對每個共享變量都要考慮并發問題。此時，我們就需要仔細分析這些共享變量，看這些共享變量中哪些變量是不變的。對于我們的銀行賬戶來說，卡号、姓名、身份證這三個共享變量就是不變的。對于這些不變的共享變量，我們可以使用final關鍵字來修飾它們，避免并發問題。

最後，需要注意的是，對共享變量進行封裝時，要注意”對象逃逸“的問題！例如，下面的程式代碼，在構造函數中将this指派給了全局變量global.obj，此時對象初始化還沒有完成，此時對象初始化還沒有完成，此時對象初始化還沒有完成，重要的事情說三遍！！線程通過global.obj讀取的x值可能為0。此時對象this就“逃逸”了。

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

以上示例來源于：

http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html#finalWrong

共享變量間的限制條件非常重要，因為它們決定了并發通路政策。

例如，在商城業務中，對于商品的庫存管理中有個合理庫存的概念，庫存量不能太高，也不能太低，這個值有一個上限和一個下限。例如，下面的類模拟了這個合理的庫存概念。

public class Stock{
    //庫存的上限
    private final AtomicLong upper = new AtomicLong(0);
    //庫存的下限
    private final AtomicLong lower = new AtomicLong(0);
    //設定庫存上限
    public void setUpper(long v){
        upper.set(v);
    }
    //設定庫存下限
    public void setLower(long v){
        lower.set(v);
    }
    //其他衆多的代碼省略
}      

乍一看，上面的程式沒問題啊！但是，其忽略了一個限制條件，就是庫存的下限要小于庫存的上限。這也是很多人容易忽略的問題。

看到這裡，很多人的第一反應就是在setUpper()方法和setLower()方法中，添加參數校驗邏輯，例如，改造後的Stock類如下所示。

public class Stock{
    //庫存的上限
    private final AtomicLong upper = new AtomicLong(0);
    //庫存的下限
    private final AtomicLong lower = new AtomicLong(0);
    //設定庫存上限
    public void setUpper(long v){
        if(v < lower.get()){
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        upper.set(v);
    }
    //設定庫存下限
    public void setLower(long v){
        if(v > upper.get()){
             throw new IllegalArgumentException();
        }
        lower.set(v);
    }
    //其他衆多的代碼省略
}      

這樣設定正确嗎？答案是：這樣設定完全不同保證庫存的下限小于庫存的上限。

其實，這裡存在競态條件（當程式中出現 if 語句的時候，應該首先反應出程式是否有競态條件），關于競态條件的詳細講解可以參見《

【高并發】要想學好并發程式設計，關鍵是要了解這三個核心問題

》。

假設，原有庫存的上限為10，下限為3。此時線程A調用setUpper(5)将庫存的上限設定為5，線程B調用setLower(7)将庫存的下限設定為8，如果線程A和線程B同時執行，線程A會通過參數校驗，因為此時庫存的下限還沒有被線程B設定完畢，此時的庫存下限還是3，5>3成立，是以，線程A會将庫存的上限設定為5。同樣的，線程B也能夠通過參數校驗，因為此時庫存的上限還沒有被線程A設定完畢，此時庫存的上限還是10，8<10成立，線程B會将庫存的下限設定為8。最終的結果為：庫存的上限為5，下限為8。庫存的上限小于下限，不滿足上限小于下限的限制條件。

是以，大家在識别共享變量間的限制條件時，一定要注意競态條件的問題！

制定并發通路政策

制定并發通路政策比較複雜，它需要結合具體的業務場景進行選擇。但是從方案上，我們可以将其總結成如下方案。

避免共享

可以利用線程本地存儲和為每個任務配置設定獨立的線程來避免共享。

不變模式

這個在Java中使用的比較少，在其他的領域使用的比較多，例如Actor模式，CSP模式和函數式程式設計。

管程和其他同步工具

Java中對于并發程式設計萬能的解決方案就是管程（關于什麼是管程後面的文章會講解），但是對于很多特定的并發場景來說，使用Java并發包提供的讀寫鎖、并發容器等同步工具比較好。

我們在編寫并發程式時，也要遵循一定的原則，這些原則可以歸納如下。

優先使用成熟的工具類

對于并發程式設計來說，我們最好優先使用Java中提供的并發工具類，因為這些并發工具類基本上能夠滿足大部分并發的業務場景。

盡量不要使用低級的同步原語

低級的同步原語指的是synchronized，Lock和Semaphore等，這些使用起來雖然簡單，但實際上并沒有那麼簡單，使用的時候一定要小心。不到萬不得已的時候，盡量不要使用它們。

避免過早優化

安全第一，并發程式設計首先要保證的就是線程安全，出現性能瓶頸之後再優化，不要過早和過度的優化。