小白科普:“无状态”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:

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?

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》

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