华为内部技术分享并发编程的不变性(Immutability)模式?

多个线程同时读写同一共享变量存在并发问题，这里的必要条件之一是读写，如果只有读，而没有写，不会有并发问题。

解决并发问题，其实最简单的办法就是让共享变量只有读操作，而没有写操作。 即不变性（Immutability）模式。就是对象一旦被创建之后，状态就不再发生变化。换句话说，变量一旦被赋值，就不允许修改了（没有写操作）；没有修改操作，也就是保持了不变性。

快速实现具备不可变性的类

将一个类所有的属性都设置成final的，并且只允许存在只读方法，那么这个类基本上就具备不可变性了。 更严格的做法是这个类本身也是final的，即不允许继承。因为子类可以覆盖父类的方法，有可能改变不可变性。

Java SDK里很多类都具备不可变性，例如String和Long、Integer、Double，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。这些类的声明、属性和方法，你会发现它们都严格遵守不可变类的三点要求：类和属性都是final的，所有方法均是只读的。

Java的String方法也有类似字符替换操作，怎么能说所有方法都是只读的呢？String这个类以及它的属性value[]都是final，replace()方法的确没有修改value[]，而是将替换后的字符串作为返回值返回了。

如果具备不可变性的类，需要提供类似修改的功能，就是创建一个新的不可变对象，这是与可变对象的一个重要区别，可变对象往往是修改自己的属性。

所有的修改操作都创建一个新的不可变对象，是不是创建的对象太多了，有点太浪费内存呢？ 是的，这样做的确有些浪费，那如何解决呢？

利用享元模式避免创建重复对象

享元模式可以减少创建对象的数量，从而减少内存占用。Java语言里面Long、Integer、Short、Byte等这些基本数据类型的包装类都用到了享元模式。

享元模式本质上其实就是一个对象池，利用享元模式创建对象的逻辑也很简单：创建之前，首先去对象池里看看是不是存在；如果已经存在，就利用对象池里的对象；如果不存在，就会新创建一个对象，并且把这个新创建出来的对象放进对象池里。

Long这个类并没有照搬享元模式，Long内部维护了一个静态的对象池，仅缓存了[-128,127]之间的数字，这个对象池在JVM启动的时候就创建好了，而且这个对象池一直都不会变化，即它是静态的。而[-128,127]之间的数字利用率最高。‘

所有的基础类型的包装类都不适合做锁，因为它们内部用到了享元模式，这会导致看上去私有的锁，其实是共有的。 如下代码，本意是A用锁al，B用锁bl，各自管理各的，互不影响。但实际上al和bl是一个对象，结果A和B共用的是一把锁。

class A {
  Long al=Long.valueOf(1);
  public void setAX(){
    synchronized (al) {
      //省略代码无数
    }
  }
}
class B {
  Long bl=Long.valueOf(1);
  public void setBY(){
    synchronized (bl) {
      //省略代码无数
    }
  }
}

使用Immutability模式的注意事项

• 对象的所有属性都是final的，并不能保证不可变性
• 不可变对象也需要正确发布

在Java语言中，final修饰的属性一旦被赋值，就不可以再修改，但是如果属性的类型是普通对象，那么这个普通对象的属性是可以被修改的。 例如下面，Bar的属性foo虽然是final的，依然可以通过setAge()设置foo的属性age。所以，在使用Immutability模式的时候一定要确认保持不变性的边界在哪里，是否要求属性对象也具备不可变性。

class Foo{
  int age=0;
  int name="abc";
}
final class Bar {
  final Foo foo;
  void setAge(int a){
    foo.age=a;
  }
}

正确地发布不可变对象

不可变对象虽然是线程安全的，但是并不意味着引用这些不可变对象的对象就是线程安全的。 例如在下面的代码中，Foo具备不可变性，线程安全，但类Bar并不是线程安全的，类Bar中持有对Foo的引用foo，对foo这个引用的修改在多线程中并不能保证可见性和原子性。

//Foo线程安全
final class Foo{
  final int age=0;
  final int name="abc";
}
//Bar线程不安全
class Bar {
  Foo foo;
  void setFoo(Foo f){
    this.foo=f;
  }
}

如果你的程序仅仅需要foo保持可见性，无需保证原子性，那么可以将foo声明为volatile变量，这样就能保证可见性。如果你的程序需要保证原子性，那么可以通过原子类来实现。下面的示例代码是合理库存的原子化实现，你应该很熟悉了，其中就是用原子类解决了不可变对象引用的原子性问题。

public class SafeWM {
  class WMRange{
    final int upper;
    final int lower;
    WMRange(int upper,int lower){
    //省略构造函数实现
    }
  }
  final AtomicReference<WMRange>
    rf = new AtomicReference<>(
      new WMRange(0,0)
    );
  // 设置库存上限
  void setUpper(int v){
    while(true){
      WMRange or = rf.get();
      // 检查参数合法性
      if(v < or.lower){
        throw new IllegalArgumentException();
      }
      WMRange nr = new
          WMRange(v, or.lower);
      if(rf.compareAndSet(or, nr)){
        return;
      }
    }
  }
}

总结

Java语言里面的String和Long、Integer、Double等基础类型的包装类都具备不可变性，这些对象的线程安全性都是靠不可变性来保证的。Immutability模式是最简单的解决并发问题的方法，建议当你试图解决一个并发问题时，可以首先尝试一下Immutability模式，看是否能够快速解决。

具备不变性的对象，只有一种状态，这个状态由对象内部所有的不变属性共同决定。 还有一种更简单的不变性对象，那就是无状态。无状态对象内部没有属性，只有方法。除了无状态的对象，你可能还听说过无状态的服务、无状态的协议等等。无状态有很多好处，最核心的一点就是性能。在多线程领域，无状态对象没有线程安全问题，无需同步处理，自然性能很好；在分布式领域，无状态意味着可以无限地水平扩展，所以分布式领域里面性能的瓶颈一定不是出在无状态的服务节点上。

下面的示例代码中，Account的属性是final的，并且只有get方法，那这个类是不是具备不可变性呢？

public final class Account{
  private final 
    StringBuffer user;
  public Account(String user){
    this.user = 
      new StringBuffer(user);
  }
  
  public StringBuffer getUser(){
    return this.user;
  }
  public String toString(){
    return "user"+user;
  }
}