不可变对象的设计模式

       在多线程操作共享资源的情况下，大多数情况下都需要对资源进行加锁操作，多线程设计模式中的一个方法，可以不依赖加锁操作，直接将资源的状态设置为不可变，一个不可变的对象，无论任何时候都是线程安全的，就像java.lang.String一样。

       那么String类是如何保证线程安全的呢？做过String s1 = “hello”;s1 = s1+”world”;的就会知道，对string类的每一次修改都会产生一个新的对象，这样就不会修改之前的对象数据了。

       另外有些非线程安全可变对象被不可变机制处理后，也是具有了不可变性。比如ArrayList生成的stream在多线程的情况下也是线程安全的，同样是因为其具备不可变性的结果。Stream的每一个操作中都是一个全新的list，不会影响到最原始的list。

public class ArrayListStream {

    public static void main(String[] args) {
        List list = Arrays.asList("java", "thead", "scala", "clojure");
        //获取并行的stream，map函数对list中的数据进行加工，
        list.parallelStream().map(String::toUpperCase).forEach(System.out::println);
        //stream的每一个操作都是一个全新的list，不会影响到最原始的list
        list.forEach(System.out::println);
    }
}

非线程安全的累加器 

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * 非线程安全的累加器
 * 不可变对象核心：不给外部修改共享资源的机会
 */
public class IntegerAccumulator {

    private int init;

    public IntegerAccumulator(int init){
        this.init = init;
    }

    public int add(int i){
        this.init += i;
        return init;
    }

    public int getValue(){
        return this.init;
    }

    public static void main(String[] args) {
        IntegerAccumulator accumulator = new IntegerAccumulator(0);
        IntStream.range(0,3).forEach(i -> new Thread(() ->{
            int inc = 0;
            while (true){
                int oldValue = accumulator.getValue();
                int result = accumulator.add(inc);
                System.out.println(oldValue+"+"+inc+"="+result);
                if(inc + oldValue != result){
                    System.err.println("error:"+oldValue+"+"+inc+"="+result);
                }
                inc ++;
                slowly();
            }
        }).start());
    }

    private static void slowly() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

可能出现的错误：

 方法同步增加线程安全性

public static void main(String[] args) {
        IntegerAccumulator accumulator = new IntegerAccumulator(0);
        IntStream.range(0,3).forEach(i -> new Thread(() ->{
            int inc = 0;
            while (true){
                // TODO: 2019/11/22 加同步锁 实现线程安全
                int oldValue ;
                int result ;
                synchronized (IntegerAccumulator.class){
                     oldValue = accumulator.getValue();
                     result = accumulator.add(inc);
                }
                System.out.println(oldValue+"+"+inc+"="+result);
                if(inc + oldValue != result){
                    System.err.println("error:"+oldValue+"+"+inc+"="+result);
                }
                inc ++;
                slowly();
            }
        }).start());
    }

 这里将同步的控制放在了线程的逻辑执行单元中，而在IntegerAccumulator中未增加任何同步的控制，如果单纯地对getValue 方法和add方法增加同步控制，虽然保证了单个方法的原子性，但是两个原子性的操作在一起未必就是原子性的，因为在线程的逻辑执行单元中增加同步控制是最合理的。

不可变的累加器对象设计 

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * 不可变对象不允许被继承
 */
public final class SafeIntegerAccumulator {

    private final int init;

    public SafeIntegerAccumulator(int init){
        this.init = init;
    }

    //构造新的累加器，需要用到另外一个accumulator和初始值
    public SafeIntegerAccumulator(SafeIntegerAccumulator accumulator,int init){
        this.init = accumulator.getValue() + init;
    }

    //每次相加都会产生一个新的SafeIntegerAccumulator
    public SafeIntegerAccumulator add(int i){
        return new SafeIntegerAccumulator(this,i);
    }

    public int getValue(){
        return this.init;
    }

    public static void main(String[] args) {
        SafeIntegerAccumulator accumulator = new SafeIntegerAccumulator(0);
        IntStream.range(0,3).forEach(i -> new Thread(() ->{
            int inc = 0;
            while (true){
                int oldValue = accumulator.getValue();
                int result = accumulator.add(inc).getValue();
                System.out.println(oldValue+"+"+inc+"="+result);
                if(inc + oldValue != result){
                    System.err.println("error:"+oldValue+"+"+inc+"="+result);
                }
                inc ++;
                slowly();
            }
        }).start());
    }

    private static void slowly() {
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

 重构后的IntegerAccumulator，使用了final修饰，防止由于继承重写而导致失去线程安全性，init属性被final修饰不允许线程对其进行改变，在构造函数中赋值后将不会在改变。Add方法并未在原有init的基础之进行累加，而是创建了一个全新的IntegerAccumulator，并未提过任何修改原始IntegerAccumulator的机会。

总结：

 设计一个不可变的类的共享资源需要具备不可破坏性，比如使用final修饰，另外针对共享资源操作的方法是不允许被重写的，以防止由于继承而带来的安全性问题，但是单凭这两点也不足以保证一个类是不可变的，比如下面的类用final修饰，其中的list也是final修饰，只允许在构造时创建。

import java.util.Collections;
import java.util.List;

public final class Immutable {
    private final List list;

    public Immutable(List list) {
        this.list = list;
    }

    public List getList() {
//        Collections.unmodifiableCollection(this.list);
        return this.list;
    }
}

Immutable类中，getList方法返回的list是可被其他线程修改的，如果想要使其真正的不可变，则需要在返回list的时候增加不可修改的约束Collections.unmodifiableList(this.list)或者克隆一个全新的list返回。