設(shè)計(jì)線程安全類，最主要問題是如何把數(shù)據(jù)拆分為多個(gè)獨(dú)立的部分，并為這些部分確定合適的大小。如果每個(gè)部分太小，那么設(shè)計(jì)的類無法做到線程安全。如果每個(gè)部分太大，那么這個(gè)類無法擴(kuò)展。

讓我們通過示例進(jìn)一步說明：

一個(gè)例子

假設(shè)我們要追蹤一個(gè)城市居住了多少人。需要提供兩個(gè)方法，一個(gè)方法獲取當(dāng)前城市的居民人數(shù)，另一個(gè)方法把某個(gè)人從一個(gè)城市轉(zhuǎn)移到另一個(gè)城市。接口設(shè)計(jì)如下：

由于多個(gè)線程需要并行調(diào)用此接口，因此必須思考接口實(shí)現(xiàn)的方案。要么使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap，要么使用 java.util.HashMap 和單鎖。使用 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap 類：

public class CityToCountUsingConcurrentHashMap    implements CityToCount {    private ConcurrentHashMap<String, Integer> map =        new ConcurrentHashMap<String, Integer>();    public CityToCountUsingConcurrentHashMap() {        for (String city : ALL_CITIES) {            map.put(city, POPULATION_COUNT);        }    }    public void move(String from, String to) {        map.compute(from, (key, value) -> {            if (value == null) {                return POPULATION_COUNT - 1;            }            return value - 1;        });        map.compute(to, (key, value) -> {            if (value == null) {                return POPULATION_COUNT + 1;            }            return value + 1;        });    }    public int count(String name) {        return map.get(name);    }}

move 方法調(diào)用線程安全的 compute 方法減小遷出城市中的居民數(shù)。然后，用 compute 增加遷入城市的居民數(shù)。count 方法中調(diào)用了線程安全的 get 方法。

下面是使用 java.util.HashMap 的實(shí)現(xiàn)：

move 方法同樣使用了 compute 方法增加、減少遷出城市和遷入城市的居民數(shù)。而這一次，由于 compute方法不是線程安全的，因此這兩種方法都被 synchronized 代碼塊包圍。count 方法同樣使用了 get 加 synchronized 代碼塊。

上面兩種解決方案都是線程安全的。

但是，ConcurrentHashMap 方案可以用不同線程并行更新多個(gè)城市。反觀 HashMap 方案，由于 HashMap 代碼完全被鎖包圍，同一時(shí)間只能有一個(gè)線程更新 HashMap。因此，ConcurrentHashMap 方案應(yīng)該擴(kuò)展性更好。讓我們來看看。

太大意味著無法擴(kuò)展

為了比較兩種實(shí)現(xiàn)的可擴(kuò)展性，使用下面的基準(zhǔn)測試：

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;import org.openjdk.jmh.annotations.State;import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;@State(Scope.Benchmark)public class CityToCountBenchmark {    public CityToCount cityToCountUsingSynchronizedHashMap        = new CityToCountUsingSynchronizedHashMap();    public CityToCount cityToCountUsingConcurrentHashMap        = new CityToCountUsingConcurrentHashMap();    @Benchmark    public void synchronizedHashMap() {        String name = Thread.currentThread().getName();        cityToCountUsingSynchronizedHashMap.move(name, name + '2');     }    @Benchmark    public void concurrentHashMap() {        String name = Thread.currentThread().getName();        cityToCountUsingConcurrentHashMap.move(name, name + '2');     } }

基準(zhǔn)測試使用 jmh，一種 OpenJDK 微基準(zhǔn)測試框架。在基準(zhǔn)測試中，我把人們從一個(gè)城市遷移到另一個(gè)城市。每個(gè)工作線程都會(huì)更新不同的城市。遷出城市的名稱為線程 ID，遷入城市的名稱為線程 ID 加2。在 Intel i5 4核CPU上運(yùn)行基準(zhǔn)測試，結(jié)果如下：

如我們看到的那樣，使用 ConcurrentHashMap 擴(kuò)展性更好：當(dāng)線程數(shù)大于兩個(gè)，該方案性能要比單個(gè)鎖更好。

太小意味著線程不安全

現(xiàn)在，需要增加另一個(gè)方法獲取所有城市的居民總數(shù)。下面用 ConcurrentHashMap 方案實(shí)現(xiàn)：

要確認(rèn)方案是否線程安全，可以使用以下測試：

import com.vmlens.api.AllInterleavings;public class TestCompleteCountConcurrentHashMap {    @Test    public void test() throws InterruptedException {        try (AllInterleavings allInterleavings =                new AllInterleavings('TestCompleteCountConcurrentHashMap');) {            while (allInterleavings.hasNext()) {                CityToCount cityToCount =                    new CityToCountUsingConcurrentHashMap();                Thread first = new Thread(() -> {                    cityToCount.move('Springfield', 'South Park');                });                 first.start();                assertEquals(2 * CityToCount.POPULATION_COUNT,                        cityToCount.completeCount());                first.join();             }        }    } }

需要兩個(gè)線程測試 completeCount 方法是否線程安全。一個(gè)線程把某個(gè)人從 Springfield 移到 South Park。另一個(gè)線程獲取 completeCount并檢查結(jié)果是否符合預(yù)期。

為了測試所有線程交叉的情況，第7行對所有線程使用 while 循環(huán)對 AllInterleavingsvmlens 進(jìn)行測試。執(zhí)行測試可以看到以下錯(cuò)誤：

Vmlens 報(bào)告揭示了問題：

正如看到的那樣，這里的問題在于：人數(shù)統(tǒng)計(jì)已經(jīng)完成，而另一個(gè)線程還在把人從 Springfield 移到 South Park。這時(shí) Springfield 的人數(shù)已經(jīng)減過了，但 South Park 的人數(shù)還沒有增加。

允許并行更新不同城市的人數(shù)，在 completeCount 與 move 并行執(zhí)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。如果提供的方法操作范圍是所有城市，則需要在方法執(zhí)行期間鎖定所有城市。為了支持這樣的方法，需要第二種單鎖解決方案。我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)線程安全的 countComplete 方法，像下面這樣：

public int completeCount() {    synchronized (lock) {        int completeCount = 0;        for (Integer value : map.values()) {            completeCount += value;        }    return completeCount;    }}

總結(jié)

雖然這個(gè)簡單的例子不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，但是示例中體現(xiàn)的思想在現(xiàn)實(shí)世界中也同樣適用。除了在單線程中逐個(gè)字段更新，沒有其它方法可以線程安全地更新多個(gè)關(guān)聯(lián)字段。因此，同時(shí)達(dá)成線程安全與可擴(kuò)展的唯一方法是在數(shù)據(jù)中找到獨(dú)立的部分，然后用多個(gè)線程并行更新。