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    Oracle官方并发教程之不可变对象

    原文链接,译文链接,译者:Greenster,校对:郑旭东

    一个对象如果在创建后不能被修改,那么就称为不可变对象。在并发编程中,一种被普遍认可的原则就是:尽可能的使用不可变对象来创建简单、可靠的代码。
    在并发编程中,不可变对象特别有用。由于创建后不能被修改,所以不会出现由于线程干扰产生的错误或是内存一致性错误。
    但是程序员们通常并不热衷于使用不可变对象,因为他们担心每次创建新对象的开销。实际上这种开销常常被过分高估,而且使用不可变对象所带来的一些效率提升也抵消了这种开销。例如:使用不可变对象降低了垃圾回收所产生的额外开销,也减少了用来确保使用可变对象不出现并发错误的一些额外代码。
    接下来看一个可变对象的类,然后转化为一个不可变对象的类。通过这个例子说明转化的原则以及使用不可变对象的好处。

    一个同步类的例子

    SynchronizedRGB是表示颜色的类,每一个对象代表一种颜色,使用三个整形数表示颜色的三基色,字符串表示颜色名称。

    public class SynchronizedRGB {
    
        // Values must be between 0 and 255.
        private int red;
        private int green;
        private int blue;
        private String name;
    
        private void check(int red,
                           int green,
                           int blue) {
            if (red < 0 || red > 255
                || green < 0 || green > 255
                || blue < 0 || blue > 255) {
                throw new IllegalArgumentException();
            }
        }
    
        public SynchronizedRGB(int red,
                               int green,
                               int blue,
                               String name) {
            check(red, green, blue);
            this.red = red;
            this.green = green;
            this.blue = blue;
            this.name = name;
        }
    
        public void set(int red,
                        int green,
                        int blue,
                        String name) {
            check(red, green, blue);
            synchronized (this) {
                this.red = red;
                this.green = green;
                this.blue = blue;
                this.name = name;
            }
        }
    
        public synchronized int getRGB() {
            return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
        }
    
        public synchronized String getName() {
            return name;
        }
    
        public synchronized void invert() {
            red = 255 - red;
            green = 255 - green;
            blue = 255 - blue;
            name = "Inverse of " + name;
        }
    }
    

    使用SynchronizedRGB时需要小心,避免其处于不一致的状态。例如一个线程执行了以下代码:

    SynchronizedRGB color =
        new SynchronizedRGB(0, 0, 0, "Pitch Black");
    ...
    int myColorInt = color.getRGB();      //Statement 1
    String myColorName = color.getName(); //Statement 2
    

    如果有另外一个线程在Statement 1之后、Statement 2之前调用了color.set方法,那么myColorInt的值和myColorName的值就会不匹配。为了避免出现这样的结果,必须要像下面这样把这两条语句绑定到一块执行:

    synchronized (color) {
        int myColorInt = color.getRGB();
        String myColorName = color.getName();
    }
    

    这种不一致的问题只可能发生在可变对象上。

    定义不可变对象的策略

    以下的一些规则是创建不可变对象的简单策略。并非所有不可变类都完全遵守这些规则,不过这不是编写这些类的程序员们粗心大意造成的,很可能的是他们有充分的理由确保这些对象在创建后不会被修改。但这需要非常复杂细致的分析,并不适用于初学者。

    1. 不要提供setter方法。(包括修改字段的方法和修改字段引用对象的方法)
    2. 将类的所有字段定义为final、private的。
    3. 不允许子类重写方法。简单的办法是将类声明为final,更好的方法是将构造函数声明为私有的,通过工厂方法创建对象。
    4. 如果类的字段是对可变对象的引用,不允许修改被引用对象。
      • 不提供修改可变对象的方法。
      • 不共享可变对象的引用。当一个引用被当做参数传递给构造函数,而这个引用指向的是一个外部的可变对象时,一定不要保存这个引用。如果必须要保存,那么创建可变对象的拷贝,然后保存拷贝对象的引用。同样如果需要返回内部的可变对象时,不要返回可变对象本身,而是返回其拷贝。

    将这一策略应用到SynchronizedRGB有以下几步:

    1. SynchronizedRGB类有两个setter方法。第一个set方法只是简单的为字段设值(译者注:删掉即可),第二个invert方法修改为创建一个新对象,而不是在原有对象上修改。
    2. 所有的字段都已经是私有的,加上final即可。
    3. 将类声明为final的
    4. 只有一个字段是对象引用,并且被引用的对象也是不可变对象。

    经过以上这些修改后,我们得到了ImmutableRGB

    final public class ImmutableRGB {
    
        // Values must be between 0 and 255.
        final private int red;
        final private int green;
        final private int blue;
        final private String name;
    
        private void check(int red,
                           int green,
                           int blue) {
            if (red < 0 || red > 255
                || green < 0 || green > 255
                || blue < 0 || blue > 255) {
                throw new IllegalArgumentException();
            }
        }
    
        public ImmutableRGB(int red,
                            int green,
                            int blue,
                            String name) {
            check(red, green, blue);
            this.red = red;
            this.green = green;
            this.blue = blue;
            this.name = name;
        }
    
        public int getRGB() {
            return ((red << 16) | (green << 8) | blue);
        }
    
        public String getName() {
            return name;
        }
    
        public ImmutableRGB invert() {
            return new ImmutableRGB(255 - red,
                           255 - green,
                           255 - blue,
                           "Inverse of " + name);
        }
    }
    

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