并发关注点分离的重构方法

### 并发关注点分离的重构方法 #### 1. 引言 在多核/众核计算机上，并发编程日益流行，但软件工程实践却远远落后于硬件发展。并发编程与传统编程不同，它不仅要遵循传统软件开发的设计原则，还需具备高性能、无数据竞争和良好的模块化特性。 关注点分离是软件工程实践中最重要的原则之一。像日志记录、身份验证和异常处理等横切关注点会影响整个应用程序，应尽可能集中处理。并发也是一种典型的非功能属性，将并发关注点从软件中分离出来，能让并发软件的结构更清晰，更易于维护。 然而，与分离其他关注点相比，分离并发关注点并非易事。主要挑战包括： - 如何从并发软件中分离并发关注点并封装成模块，因为JDK中提出了许多并发类，且很多类可实现相同功能。 - 如何在不牺牲性能的前提下重构软件。 - 如何确保在进行并发重构时软件的安全性。 为应对这些挑战，提出了一种基于面向方面编程（AOP）的重构方法，将线程、同步、屏障和线程通信等操作重构为独立的方面，使并发得到统一管理，并可在需要的代码位置复用，且不会出现在最终软件的核心功能中。 #### 2. 动机示例 为说明重构的难度，给出两个Java示例，程序员可能使用两种不同的方式来编写与线程相关的操作。 示例一： ```java public class Test implements Runnable{ public Test(){ } public void run(){ synchronized(this){ testMeth(); } } private void testMeth(){//…} public static void main(String[] args){ Test test1 = new Test(); Thread t1 = new Thread(test1); t1.start(); Test test2 = new Test(); Thread t2 = new Thread(test2); t2.start(); try { t1.join(); t2.join(); } catch (InterruptedException e) { } //… } } ``` 示例二： ```java public class Test extends Thread{ CyclicBarrier barrier; public Test(CyclicBarrier barrier){ this.barrier = barrier; } public void run(){ testMeth(); try { barrier.await(); } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { } } private synchronized void testMeth(){//…} public static void main(String[] args){ CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(3); Thread t1 = new Test(barrier); t1.start(); Thread t2 = new Test(barrier); t2.start(); try { barrier.await(); } catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) { } //… } } ``` 这两个示例虽然形式不同，但实现了相同的功能，重构操作却完全不同。重构的难点包括： - 需要识别并发关注点（所有下划线标注的代码）。 - 对这些并发关注点进行重构时，可能需要应用不同的重构操作，特别是同步和屏障等操作，必须谨慎调整。例如，在重构屏障操作时，示例一需要将所有线程注册到一个集合中并调用`join()`方法，而示例二则需要定义新的屏障对象并调用`await()`方法。 - 需要将它们重构为一个独立的模块，以统一管理这些并发关注点。 #### 3. 重构框架 ##### 3.1 概述 重构的目标是将并发关注点从并发软件中分离出来，使并发集中化。这样，并发软件将易于维护，并发关注点也能得到统一管理。 重构框架的概述如下： ```mermaid graph LR A[并发软件] --> B[识别并发关注点] B --> C[删除核心功能代码中的并发关注点] C --> D[重构为方面] D --> E[应用方面到类] ``` 将并发软件作为输入，首先从核心功能中识别出线程、同步、屏障和线程通信等并发关注点，然后从核心功能代码中删除这些并发关注点，并将它们重构为方面（AOP机制）进行封装。为使方面可复用，将每种操作重构为一个单独的方面。在将方面应用于类时，通过重写切入点来复用现有方面，而通知保持不变。但对于同步操作，需要根据每个切入点的情况进行处理。 方面在重构框架中统一管理，处理每种线程操作的方面集中在一个文件中。一些方面可能应用于相同的连接点，方面的顺序由方面的优先级指定。 ##### 3.2 识别并发关注点 Java自JDK出现以来提供了许多类和接口来支持并发编程。实现相同功能可能会使用不同的类和接口。并发关注点主要包括： - 线程操作：包括创建和运行操作，如`start()`、`interrupt()`和`join()`等。 - 同步操作：有同步方法和同步块两种常见形式。同步方法将`synchronized`修饰符放在方法头部，整个方法受同步锁保护；同步块通常以`synchronized`关键字后跟监视器对象开始，可保护方法中的小部分代码。 - 线程通信和屏障操作：如`notify()`、`wait()`和`barrier()`等。 ##### 3.3 重构 - 线程操作重构： - 进行重构时，需要从类的头部移除对`Thread`类的扩展或`Runnable`接口的实现，然后将线程代码移动到一个方面中。创建方面时，将`run()`方法的头部作为切入点，定义