多執行緒：工程師的關鍵概念 - 第 1 部分 - 程式設計

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多執行緒：工程師的關鍵概念 - 第 1 部分

發佈於2024-11-08

Multithreading : Key Concepts for Engineers - Part 1

了解关键的多线程概念对于软件开发人员至关重要，因为它不仅可以增强技能，还可以直接影响应用程序开发、可扩展性和软件解决方案的整体质量。

原子性

在多线程上下文中，原子操作确保一个线程可以执行一系列操作，而不会被其他线程中断。多个线程可能会尝试同时读取或写入共享数据。如果没有原子性，并发修改可能会导致不一致或意外的结果，通常称为竞争条件。

Java 规范保证“读”和“写”是原子操作而不是它们的组合。因此，根据规范，“读取、加 1，然后将结果写回”的操作不是原子操作。此类操作称为复合操作，在我们的代码中使用它们时，它们通常需要是原子的。

原子操作示例：

递增计数器：如果两个线程在没有原子性的情况下同时递增计数器，则它们可能都读取相同的值并写回相同的递增值，从而导致丢失一个增量。
更新共享变量：如果一个线程正在读取一个值，而另一个线程正在修改它，如果没有原子性，读取线程可能会得到不一致的值。

实现原子性：

原子类：许多编程语言提供原子类（例如 Java 中的 AtomicInteger），封装保证原子性的操作。
同步方法/块：在Java等语言中，可以使用synchronized关键字来确保一次只有一个线程可以执行一段代码或一个方法。
锁：使用显式锁（例如 Java 中的 ReentrantLock）来管理对共享资源的访问。

好处

性能：java.util.concurrent.atomic中的类还提供了无锁的方式来保证线程安全，使其成为很多场景下的首选。
简单性：使用原子类可以简化代码，因为开发人员不需要管理锁，可以专注于程序的逻辑。
线程安全：原子操作确保跨多个线程安全地更新变量，而不存在数据损坏或竞争条件的风险。

不变性

不可变性是指对象在创建后其状态无法修改的属性。在编程中，不可变对象是那些一旦初始化就不能更改或改变的对象。不是修改不可变的对象，而是创建一个具有所需更改的新对象。

不可变意味着一旦对象的构造函数完成执行，该实例就无法更改。

不可变对象的特性

无状态变化： 一旦创建了不可变对象，其状态（属性或字段）在其整个生命周期中保持不变。
线程安全： 不可变对象可以在多个线程之间安全共享，无需同步，因为它们无法修改。
哈希码稳定性： 不可变对象的哈希码在其整个生命周期中保持不变，使其适合在 HashMap 或 HashSet 等基于哈希的集合中使用。

实现不变性：

记录的使用（Java 14 中）： 在 Java 中，记录功能提供了一种创建不可变数据类的简洁方法。

public record ImmutablePoint(int x, int y) {}

使用不可变数据结构：利用编程语言或库提供的现有不可变数据结构，例如：

Java: Collections.unmodifyingList(), List.of(), Set.of()
C#: System.Collections.Immutable 中的 ImmutableList、ImmutableArray
Python： 元组本质上是不可变的。

使用 Final 字段： 将类的字段声明为 Final。这确保了在对象构造期间只能分配字段一次。
无 Setter： 避免为可变字段提供 setter 方法。这可以防止外部代码在构造对象后更改对象的状态。

public final class ImmutablePoint {
    private final int x;
    private final int y;

    public ImmutablePoint(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int getX() {
        return x;
    }

    public int getY() {
        return y;
    }
}