“无状态”的那点事儿

软件大师正在闭目修炼， 最小的一名弟子慢慢走了进来。

大师，弟子有一事不明，甚是烦恼。

说来听听，让为师给你排解一下。

我经常听师兄们争论‘无状态’， 说‘无状态’在软件编程中是好事情， 可是到底什么是状态？ 什么是无状态？

大师睁开眼来，写下一行字: y=f(x)，然后又闭上了眼睛。

（奇怪地问道）这不就是一个函数吗？我初中就学过， 给定一个x，函数经过计算（比如求平方）就能得到一个y。

没错，这就是一个纯函数，对于相同的输入，总是得到相同的输出，不依赖于外界的状态。

这也没什么啊！

你想想，要是有多个线程在一个CPU上并发调用这个函数，会不会有问题？

不会。

如果是有多个线程在多个CPU上并行执行这个函数，会不会有问题？

不会。

为什么？

因为每次调用都不会在这个函数中保留数据， 调用完了就完了，每一次调用都是崭新的调用，并且第一次和第一百次之间没有任何关系。

因为那个函数不保存状态，所以无论是并发还是并行，都没有问题。

嗯，明白。

你再想想你常用的HTTP，每次访问一个静态HTML页面的时候，对于服务器来讲，是不是就相当于调用了一个函数，函数输入：一个URL路径， 函数输出：HTML页面。

那这么说来，这个服务器也不会记录每次请求的是谁，只要执行这个'函数调用'就可以了。

你说说，这样的HTTP协议有什么好处？

由于没有状态，如果一个服务器访问量过大，我可以轻松地添加新的服务器来处理请求。

“孺子可教也，这就是所谓水平扩展（scale-out）。

水平扩展？ 难道还有垂直扩展(scale-up)？

对，垂直扩展就是通过增加CPU，内存，硬盘等方式来提高单个服务器的处理能力。由于单台机器总是有上限的，所以想应对海量用户的访问，提高可用性，还得靠水平扩展。现在你体会到无状态的好处了吧？

明白了，大师，在服务器端无状态确实是个美好的世界， 可是现实很残酷，没有状态不行啊，一个人登录了，我们得记住他是谁吧，他往购物车里加入商品，我们也得记下来吧。

那你们怎么记啊？

肯定用Session来保存状态啊！

服务器一旦引入状态，就没法轻松地水平扩展了吧！

是的，该怎么办？

这里边办法很多，例如让'状态'在各个服务器之间进行复制，但最常用的是把状态转移存储到另外一个地方，尽量服务器恢复到无状态的'y=f(x)'。

(注：实际情况下，图中服务器之前还有负责负载均衡的服务器)

奥，这样一来，又可以水平扩展了！ 对了大师，我刚才听到师兄们提到‘无状态对象’，他们说就是一个对象没有实例变量，或者实例变量是final的。这么说对吧？

嗯，这种情况下，说‘无状态对象’ 有点不准确了，更准确的词是‘不可变对象’（Immutable Object）,比如：

public final class Complex{
    private final int a;
    private final int b;
    public Complex(int a, int b){
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
    public Complex add(Complex other){
        return new Complex(a + other.a, b+other.b);
    }
}

奥，这个类的对象一旦创建，就不能再改变了， 我看到了那个add方法，它不是对现有对象的修改，而是返回了一个全新的对象。

这样的话当多个线程调用add对象的时候，都是线程安全的。 我这里有一副图画，是LISP大师送给我的，形象地展示了可变 vs 不可变， 你拿去吧：

那代价也有点大啊，每次都创建新对象！我们用Spring，其中的Controller, Service被大量地并发调用，肯定不能用这种方法了。

是的，你们用的Controller, Service 默认都是单例，运行期只有一个实例，他们的方法应该是y=f(x)这样的无状态方法，轻易不要在里边放置共享的实例变量，要不然多线程并发操作就可能出问题了。

可是我们的Controller 一般都要放个Service的实例变量啊 ，比如这个LoginController中的userService， 多个线程同时访问这个共享的userService，岂不就出问题了？

@Controller
public class LoginController {
    @Autowired
    private UserService userService;
    ......对userService的使用略......
}

你误入歧途了，把无状态和无共享的实例变量画了等号，你想想，如果LoginController调用的userService 的方法也是类似 y=f(x)， 会有线程安全问题吗？

嗯...... 好像是没有问题。 无论是Controller还是Service都是纯函数调用而已。 但是如果确实需要共享的变量（并且多线程对该变量的操作互不依赖）该怎么办？

很简单，使用ThreadLocal，把这个变量存到各个线程当中，让他们互不干扰，就线程安全了。

大师，再讲讲ThreadLocal吧！

为师累了，要休息下，这里有篇文章，你拿去看吧：《一个故事讲明白线程的私家领地：ThreadLocal》