引言

物件的組合，是《Java Concurrency in Practice》中第四章引入的課題。這並不是一個併發的概念。

為了可以將現有的執行緒安全元件組合為更大規模的元件或程式，而不是每次記憶體訪問都進行分析以確保程式是執行緒安全的。這一章將介紹一些組合模式，這些模式可以更容易的使一個類成為執行緒安全的類，並且維護性更強。

一、設計執行緒安全的類

為了在不對整個程式進行分析的情況下就可以得出一個類是否是執行緒安全類的結論，總結了設計執行緒安全類的三個基本要素。

找出構成物件狀態的所有變數。

找出約束狀態變數的不變性條件。

建立物件狀態的併發訪問管理策略。

 物件的狀態指的是那些基本型別的變數。如果在物件的域中引用了其他物件，那麼該物件的狀態將包含被引用物件的域。

1.1 什麼是同步策略？

同步策略的意思是保證物件不變性條件和後驗條件的前提下協同各個訪問操作。是不變性條件、執行緒封閉、加鎖機制、鎖保護的相關概念的一個統稱。

1.2 什麼是不變性條件？

不變性條件指的是在物件狀態空間內的一種邏輯約束。

狀態空間簡單的說就是物件的狀態所有的可能值。而不變性條件就是人為規定的在狀態空間內只能取哪些值。比如：

public class Counter {
    private long value = 0;

    public long increment() {
        if (value == Long.MAX_VALUE)
            throw new IllegalStateException("計數器溢位");
        return ++value;
    }
}
 

Counter類的物件有一個long型別的value，那麼狀態空間就是Long.MIN_VALUE 到 Long.MAX_VALUE之間所有的整型，但是由於該類的方法只提供了一個增長的方法，而value的初始值又是0，因此，對於這個類的不變性條件，就是value不能是負數。

1.3 狀態遷移

物件的狀態通過相關的方法產生了變化，這就是狀態遷移。

1.4 後驗條件

人為規定的狀態遷移後的狀態的有效性條件。比如上面的程式碼中，如果此時value是17，那麼執行increment()後value一定要等於18。那麼這裡的後驗條件就是狀態改變後的值比狀態改變前大1。

另外，當下一個狀態需要依賴當前狀態時，這個操作就必須是複合操作

1.5 不變形條件與原子性

如果，不變性條件包含多個變數，那麼將產生原子性的需求：這些相關的變數必須在單個原子操作中進行讀取或更新。簡單地說，就是不能先更新一個變數，然後釋放鎖，再獲取鎖，再去更新另一個相關變數。因為多個變數構成的不變性條件是整體性的，如果分開更新相關的狀態，那麼在中間的某個時刻必然會導致物件處於失效狀態。

1.6 先驗條件

簡單地說就是，必須滿足某種要求程式才能繼續執行的條件。它屬於一種依賴的狀態。

單執行緒中的某個操作如果無法滿足先驗條件，則必然失敗；多執行緒下可能會由於其他執行緒執行的操作而變為真。

併發程式中一定要等到先驗條件為真，然後再執行該操作。這就引出了另一個相關的機制：Java的執行緒通訊機制。比如等待和通知、阻塞等。

1.7 狀態的所有權

物件對它封裝的狀態擁有所有權。所有權意味著控制權。

二、例項封閉（Instance Confinement）

如果某個物件不是執行緒安全的，有很多手段可以使它在多執行緒程式中正常使用。可以使用執行緒封閉技術確保這個物件只能由單個執行緒訪問；或者通過鎖來保護物件的所有訪問。

其實，例項封閉技術在日常開發中經常使用。簡單的說，物件A作為一個私有成員封裝在了物件B中，那麼物件A就是一個封閉的例項，A的訪問也可以得到有效的控制。

例如下面的程式中，PersonSet的狀態由HashSet來管理，而HashSet並非執行緒安全的。但由於mySet是私有的並且不會逸出，因此HashSet被封閉在PersonSet中。唯一能訪問mySet的程式碼路徑是addPerson與containsPerson，在執行它們時都要獲得PersonSet上的鎖。PersonSet的狀態完全由它的內建鎖保護，因而PersonSet是一個執行緒安全的類。

public class PersonSet {
    private final Set<Person> mySet = new HashSet<>();
    
    public synchronized void addPerson(Person p) {
        mySet.add(p);
    }
    
    public synchronized boolean containsPerson(Person p) {
        return mySet.contains(p);
    }
}

2.1 監視器模式

監視器模式並不是Java的GoF 23設計模式。什麼是監視器模式？將物件的所有可變狀態都封裝起來，並且只能通過內建鎖來訪問，這就是監視器模式。而內建鎖synchronized也成為監視器或監視器鎖。

Java監視器模式只是一種編嗎約定：對於任何一種鎖物件，只要自始至終都使用該鎖物件，都可以用來保護物件的狀態。

監視器模式的兩個代表：Vector和Hashtable。

2.2 私有鎖物件

私有鎖物件而不是物件的內建鎖，可以將鎖封裝起來，使客戶程式碼只能通過共有方法來訪問鎖。

public class PrivateLock {
    private final Object myLock = new Object();
    @GuardBy("myLock")
    Widget widget;

    void someMethod() {
        synchronized (myLock) {
            // 訪問或修改Widget的狀態
        }
    }
}