通過(guò)實(shí)現(xiàn)觀(guān)察者模式來(lái)提供 Java 事件通知（Java event notification）似乎不是件什么難事兒，但這過(guò)程中也很容易就掉進(jìn)一些陷阱。本文介紹了我自己在各種情形下，不小心制造的一些常見(jiàn)錯(cuò)誤。
Java 事件通知
讓我們從一個(gè)最簡(jiǎn)單的 Java Bean 開(kāi)始，它叫StateHolder，里面封裝了一個(gè)私有的 int 型屬性 state 和常見(jiàn)的訪(fǎng)問(wèn)方法：
public class StateHolder {
private int state;
public int getState() {
return state;
}
public void setState( int state ) {
this.state = state;
}
}
現(xiàn)在假設(shè)我們決定要 Java bean 給已注冊(cè)的觀(guān)察者廣播一條 狀態(tài)已改變 事件。小菜一碟?。?！定義一個(gè)最簡(jiǎn)單的事件和監(jiān)聽(tīng)器簡(jiǎn)直擼起袖子就來(lái)……
// change event to broadcast
public class StateEvent {
public final int oldState;
public final int newState;
StateEvent( int oldState, int newState ) {
this.oldState = oldState;
this.newState = newState;
}
}
// observer interface
public interface StateListener {
void stateChanged( StateEvent event );
}
接下來(lái)，我們需要在 StateHolder 的實(shí)例里注冊(cè) StatListeners。
public class StateHolder {
private final Set listeners = new HashSet<>();
[...]
public void addStateListener( StateListener listener ) {
listeners.add( listener );
}
public void removeStateListener( StateListener listener ) {
listeners.remove( listener );
}
}
最后一個(gè)要點(diǎn)，需要調(diào)整一下StateHolder#setState這個(gè)方法，來(lái)確保每次狀態(tài)有變時(shí)發(fā)出的通知，都代表這個(gè)狀態(tài)真的相對(duì)于上次產(chǎn)生變化了：
public void setState( int state ) {
int oldState = this.state;
this.state = state;
if( oldState != state ) {
broadcast( new StateEvent( oldState, state ) );
}
}
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
for( StateListener listener : listeners ) {
listener.stateChanged( stateEvent );
}
}
搞定了！要的就是這些。為了顯得專(zhuān)(zhuang)業(yè)(bi)一點(diǎn)，我們可能還甚至為此實(shí)現(xiàn)了測(cè)試驅(qū)動(dòng)，并為嚴(yán)密的代碼覆蓋率和那根表示測(cè)試通過(guò)的小綠條而洋洋自得。而且不管怎么樣，這不就是我從網(wǎng)上那些教程里面學(xué)來(lái)的寫(xiě)法嗎？
那么問(wèn)題來(lái)了：這個(gè)解決辦法是有缺陷的……
并發(fā)修改
像上面那樣寫(xiě) StateHolder 很容易遇到并發(fā)修改異常（ConcurrentModificationException），即使僅僅限制在一個(gè)單線(xiàn)程里面用也不例外。但究竟是誰(shuí)導(dǎo)致了這個(gè)異常，它又為什么會(huì)發(fā)生呢？
java.util.ConcurrentModificationException
at java.util.HashMap$HashIterator.nextNode(HashMap.java:1429)
at java.util.HashMap$KeyIterator.next(HashMap.java:1453)
at com.codeaffine.events.StateProvider.broadcast(StateProvider.java:60)
at com.codeaffine.events.StateProvider.setState(StateProvider.java:55)
at com.codeaffine.events.StateProvider.main(StateProvider.java:122)
乍一看這個(gè)錯(cuò)誤堆棧包含的信息，異常是由我們用到的一個(gè) HashMap 的 Iterator 拋出的，可在我們的代碼里沒(méi)有用到任何的迭代器，不是嗎？好吧，其實(shí)我們用到了。要知道，寫(xiě)在 broadcast 方法里的 for each 結(jié)構(gòu)，實(shí)際上在編譯時(shí)是會(huì)被轉(zhuǎn)變成一個(gè)迭代循環(huán)的。
因?yàn)樵谑录V播過(guò)程中，如果一個(gè)監(jiān)聽(tīng)器試圖從 StateHolder 實(shí)例里面把自己移除，就有可能導(dǎo)致 ConcurrentModificationException。所以比起在原先的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行操作，有一個(gè)解決辦法就是我們可以在這組監(jiān)聽(tīng)器的快照（snapshot）上進(jìn)行迭代循環(huán)。
這樣一來(lái)，“移除監(jiān)聽(tīng)器”這一操作就不會(huì)再干擾事件廣播機(jī)制了（但要注意的是通知還是會(huì)有輕微的語(yǔ)義變化，因?yàn)楫?dāng) broadcast 方法被執(zhí)行的時(shí)候，這樣的移除操作并不會(huì)被快照體現(xiàn)出來(lái)）：
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
Set snapshot = new HashSet<>( listeners );
for( StateListener listener : snapshot ) {
listener.stateChanged( stateEvent );
}
}
但是，如果 StateHolder 被用在一個(gè)多線(xiàn)程的環(huán)境里呢？
同步
要再多線(xiàn)程的環(huán)境里使用 StateHolder ，它就必須是線(xiàn)程安全的。不過(guò)這也很容易實(shí)現(xiàn)，給我們類(lèi)里面的每個(gè)方法加上 synchronized 就搞定了，不是嗎？
public class StateHolder {
public synchronized void addStateListener( StateListener listener ) { [...]
public synchronized void removeStateListener( StateListener listener ) { [...]
public synchronized int getState() { [...]
public synchronized void setState( int state ) { [...]
現(xiàn)在我們讀寫(xiě)操作 一個(gè) StateHolder 實(shí)例的時(shí)候都有了內(nèi)置鎖（Intrinsic Lock） 做保證，這使得公有方法具有了原子性，也確保了正確的狀態(tài)對(duì)不同的線(xiàn)程都可見(jiàn)。任務(wù)完成！
才怪……盡管這樣的實(shí)現(xiàn)是線(xiàn)程安全的，但一旦程序要調(diào)用它，就需要承擔(dān)死鎖的風(fēng)險(xiǎn)。
設(shè)想一下如下這種情形：線(xiàn)程 A 改變了 StateHolder 的狀態(tài) S，在向各個(gè)監(jiān)聽(tīng)器（listener）廣播這個(gè)狀態(tài) S 的時(shí)候，線(xiàn)程 B 視圖訪(fǎng)問(wèn)狀態(tài) S ，然后被阻塞。如果 B 持有了一個(gè)對(duì)象的同步鎖，這個(gè)對(duì)象又是關(guān)于狀態(tài) S的，并且本來(lái)是要廣播給眾多監(jiān)聽(tīng)器當(dāng)中的某一個(gè)的，這種情況下我們就會(huì)遇到一個(gè)死鎖。
這就是為什么我們要縮小狀態(tài)訪(fǎng)問(wèn)的同步性，在一個(gè)“保護(hù)通道”里面來(lái)廣播這個(gè)事件：
public class StateHolder {
private final Set listeners = new HashSet<>();
private int state;
public void addStateListener( StateListener listener ) {
synchronized( listeners ) {
listeners.add( listener );
}
}
public void removeStateListener( StateListener listener ) {
synchronized( listeners ) {
listeners.remove( listener );
}
}
public int getState() {
synchronized( listeners ) {
return state;
}
}
public void setState( int state ) {
int oldState = this.state;
synchronized( listeners ) {
this.state = state;
}
if( oldState != state ) {
broadcast( new StateEvent( oldState, state ) );
}
}
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
Set snapshot;
synchronized( listeners ) {
snapshot = new HashSet<>( listeners );
}
for( StateListener listener : snapshot ) {
listener.stateChanged( stateEvent );
}
}
}
上面這段代碼是在之前的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)使用 Set 實(shí)例作為內(nèi)部鎖來(lái)提供合適（但也有些過(guò)時(shí)）的同步性，監(jiān)聽(tīng)者的通知事件在保護(hù)塊之外發(fā)生，這樣就避免了一種死等的可能。
注意: 由于系統(tǒng)并發(fā)操作的天性，這個(gè)解決方案并不能保證變化通知按照他們產(chǎn)生的順序依次到達(dá)監(jiān)聽(tīng)器。如果觀(guān)察者一側(cè)對(duì)實(shí)際狀態(tài)的準(zhǔn)確性有較高要求，可以考慮把 StateHolder 作為你事件對(duì)象的來(lái)源。
如果事件順序這在你的程序里顯得至關(guān)重要，有一個(gè)辦法就是可以考慮用一個(gè)線(xiàn)程安全的先入先出（FIFO）結(jié)構(gòu)，連同監(jiān)聽(tīng)器的快照一起，在 setState 方法的保護(hù)塊里緩沖你的對(duì)象。只要 FIFO 結(jié)構(gòu)不是空的，一個(gè)獨(dú)立的線(xiàn)程就可以從一個(gè)不受保護(hù)的區(qū)域塊里觸發(fā)實(shí)際事件（生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式），這樣理論上就可以不必冒著死鎖的危險(xiǎn)還能確保一切按照時(shí)間順序進(jìn)行。我說(shuō)理論上，是因?yàn)榈侥壳盀橹刮乙策€沒(méi)親自這么試過(guò)。。
鑒于前面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的，我們可以用諸如 CopyOnWriteArraySet 和 AtomicInteger 來(lái)寫(xiě)我們的這個(gè)線(xiàn)程安全類(lèi)，從而使這個(gè)解決方案不至于那么復(fù)雜：
public class StateHolder {
private final Set listeners = new CopyOnWriteArraySet<>();
private final AtomicInteger state = new AtomicInteger();
public void addStateListener( StateListener listener ) {
listeners.add( listener );
}
public void removeStateListener( StateListener listener ) {
listeners.remove( listener );
}
public int getState() {
return state.get();
}
public void setState( int state ) {
int oldState = this.state.getAndSet( state );
if( oldState != state ) {
broadcast( new StateEvent( oldState, state ) );
}
}
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
for( StateListener listener : listeners ) {
listener.stateChanged( stateEvent );
}
}
}
既然 CopyOnWriteArraySet 和 AtomicInteger 已經(jīng)是線(xiàn)程安全的了，我們不再需要上面提到的那樣一個(gè)“保護(hù)塊”。但是等一下！我們剛剛不是在學(xué)到應(yīng)該用一個(gè)快照來(lái)廣播事件，來(lái)替代用一個(gè)隱形的迭代器在原集合（Set）里面做循環(huán)嘛？
這或許有些繞腦子，但是由 CopyOnWriteArraySet 提供的 Iterator（迭代器）里面已經(jīng)有了一個(gè)“快照“。CopyOnWriteXXX 這樣的集合就是被特別設(shè)計(jì)在這種情況下大顯身手的——它在小長(zhǎng)度的場(chǎng)景下會(huì)很高效，而針對(duì)頻繁迭代和只有少量?jī)?nèi)容修改的場(chǎng)景也做了優(yōu)化。這就意味著我們的代碼是安全的。
隨著 Java 8 的發(fā)布，broadcast 方法可以因?yàn)镮terable#forEach 和 lambdas表達(dá)式的結(jié)合使用而變得更加簡(jiǎn)潔，代碼當(dāng)然也是同樣安全，因?yàn)榈廊槐憩F(xiàn)為在“快照”中進(jìn)行：
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
listeners.forEach( listener -> listener.stateChanged( stateEvent ) );
}
異常處理
本文的最后介紹了如何處理拋出 RuntimeExceptions 的那些損壞的監(jiān)聽(tīng)器。盡管我總是嚴(yán)格對(duì)待 fail-fast 錯(cuò)誤機(jī)制，但在這種情況下讓這個(gè)異常得不到處理是不合適的。尤其考慮到這種實(shí)現(xiàn)經(jīng)常在一些多線(xiàn)程環(huán)境里被用到。
損壞的監(jiān)聽(tīng)器會(huì)有兩種方式來(lái)破壞系統(tǒng)：第一，它會(huì)阻止通知向觀(guān)察者的傳達(dá)過(guò)程；第二，它會(huì)傷害那些沒(méi)有準(zhǔn)備處理好這類(lèi)問(wèn)題的調(diào)用線(xiàn)程?？偠灾軌?qū)е露喾N莫名其妙的故障，并且有的還難以追溯其原因，
因此，把每一個(gè)通知區(qū)域用一個(gè) try-catch 塊來(lái)保護(hù)起來(lái)會(huì)顯得比較有用。
private void broadcast( StateEvent stateEvent ) {
listeners.forEach( listener -> notifySafely( stateEvent, listener ) );
}
private void notifySafely( StateEvent stateEvent, StateListener listener ) {
try {
listener.stateChanged( stateEvent );
} catch( RuntimeException unexpected ) {
// appropriate exception handling goes here...
}
}
總結(jié)
綜上所述，Java 的事件通知里面有一些基本要點(diǎn)你還是必須得記住的。在事件通知過(guò)程中，要確保在監(jiān)聽(tīng)器集合的快照里做迭代，保證事件通知在同步塊之外，并且在合適的時(shí)候再安全地通知監(jiān)聽(tīng)器。
但愿我寫(xiě)的這些讓你覺(jué)得通俗易懂，最起碼尤其在并發(fā)這一節(jié)不要再被搞得一頭霧水。如果你發(fā)現(xiàn)了文章中的錯(cuò)誤或者有其它的點(diǎn)子想分享，盡管在文章下面的評(píng)論里告訴我吧。
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