精通有状态vs无状态(Stateful vs Stateless)—Immutable模式之姐妹篇

我相信有不少人还不明白有状态和无状态(Stateful and Stateless)的概念，那么我们今天就来谈谈有状态和无状态，一方面不断总结提高自我，另一方面兼扫盲。这是Immutable不变模式的姐妹篇，大家可以参照着读。 
Immutable不变模式的分析blog: http://www.iteye.com/topic/959751 

基本概念： 

有状态就是有数据存储功能。有状态对象(Stateful Bean)，就是有实例变量的对象，可以保存数据，是非线程安全的。在不同方法调用间不保留任何状态。 

无状态就是一次操作，不能保存数据。无状态对象(Stateless Bean)，就是没有实例变量的对象.不能保存数据，是不变类，是线程安全的。 

代码更好理解： 

/**
 * 有状态bean,有state,user等属性，并且user有存偖功能，是可变的。
 *
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class StatefulBean {

    public int state;
    // 由于多线程环境下，user是引用对象，是非线程安全的
    public User user;

    public int getState() {
        return state;
    }

    public void setState(int state) {
        this.state = state;
    }

    public User getUser() {
        return user;
    }

    public void setUser(User user) {
        this.user = user;
    }
}

/**
 * 无状态bean,不能存偖数据。因为没有任何属性，所以是不可变的。只有一系统的方法操作。
 *
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class StatelessBeanService {

    // 虽然有billDao属性，但billDao是没有状态信息的，是Stateless Bean.
    BillDao billDao;

    public BillDao getBillDao() {
        return billDao;
    }

    public void setBillDao(BillDao billDao) {
        this.billDao = billDao;
    }

    public List<User> findUser(String Id) {
return null;
    }
}

单例模式中的有状态和无状态: 
单例类可以是有状态的（stateful），一个有状态的单例对象一般也是可变（mutable）单例对象。有状态的可变的单例对象常常当做状态库（repositary）使用。比如一个单例对象TaskCache（Spring中配为singleton）可以持有一个AtomicLong类型的属性，用来给一个系统提供一个数值惟一的序列号码，作为任务通迅管理的ID生成器。同时，一个单例类也可以持有一个聚集，从而允许存储多个状态，如示例中的ExpiringMap缓存任务列表。 
代码示例： 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

import org.apache.mina.util.ExpiringMap;

/**
 * Description: 内存中缓存的实时控制端任务列表.示例有状态的单例类
 *
 * @author Peter Wei
 * @version 1.0 Dec 2, 2008
 */
public class TaskCache {

    // 请求超时
    private short requestTimeout;

    // 这个缓存Map是线程安全,并且有定时超时功能
    private ExpiringMap<String, Object> tasksMap = new ExpiringMap<String, Object>();

    // 线程安全的原子类,示例有状态的单例类
    private static AtomicLong seqNo = new AtomicLong(1);

    // 示例有状态的单例类
    public Long nextSeqNo() {
        return seqNo.getAndIncrement();
    }

    public void setRequestTimeout(short requestTimeout) {
        this.requestTimeout = requestTimeout;
    }

    // 启动过期检测
    public void startExpiring() {
        tasksMap.getExpirer().setTimeToLive(requestTimeout);
        tasksMap.getExpirer().startExpiringIfNotStarted();
    }

    // 停止过期检测
    public void stopExpiring() {
        tasksMap.getExpirer().stopExpiring();
    }

    // 取任务列表.
    public Object getTasks(String key) {
        return tasksMap.get(key);
    }

    // 去除任务列表.
    public Object removeTasks(String key) {
        return tasksMap.remove(key);
    }

    // 添加任务列表.
    public void addTasks(String key, Object value) {
        tasksMap.put(key, value);
    }
}

单例类也可以是没有状态的（stateless），仅用做提供工具性函数的对象。既然是为了提供工具性函数，也就没有必要创建多个实例，因此使用单例模式很合适。平常的单例类都是没有状态的，这里就不示例了。一个没有状态的单例类也就是不变（Immutable）单例类。关于不变模式，请参考 http://www.iteye.com/topic/959751 

EJB中的有状态与无状态： 

1.Stateful session bean的每个用户都有自己的一个实例，所以两者对stateful session bean的操作不会影响对方。另外注意：如果后面需要操作某个用户的实例，你必须在客户端缓存Bean的Stub对象（JSP通常的做法是用Session缓存），这样在后面每次调用中，容器才知道要提供相同的bean实例。 

2.Stateless Session Bean不负责记录使用者状态，Stateless Session Bean一旦实例化就被加进会话池中，各个用户都可以共用。如果它有自己的属性（变量），那么这些变量就会受到所有调用它的用户的影响。 

3.从内存方面来看，Stateful Session Bean与Stateless Session Bean比较，Stateful Session Bean会消耗J2EE Server 较多的内存，然而Stateful Session Bean的优势却在于他可以维持使用者的状态。 

Spring中的有状态(Stateful)和无状态(Stateless) 

1.通过上面的分析，相信大家已经对有状态和无状态有了一定的理解。无状态的Bean适合用不变模式，技术就是单例模式，这样可以共享实例，提高性能。有状态的Bean，多线程环境下不安全，那么适合用Prototype原型模式。Prototype: 每次对bean的请求都会创建一个新的bean实例。 

2.默认情况下，从Spring bean工厂所取得的实例为singleton（scope属性为singleton）,容器只存在一个共享的bean实例。 

3.理解了两者的关系，那么scope选择的原则就很容易了：有状态的bean都使用prototype作用域，而对无状态的bean则应该使用singleton作用域。 

4.如Service层、Dao层用默认singleton就行，虽然Service类也有dao这样的属性，但dao这些类都是没有状态信息的，也就是相当于不变(immutable)类，所以不影响。Struts2中的Action因为会有User、BizEntity这样的实例对象，是有状态信息的，在多线程环境下是不安全的，所以Struts2默认的实现是Prototype模式。在Spring中，Struts2的Action中，scope要配成prototype作用域。 

Servlet、Struts中的有状态和无状态: 

1.Servlet体系结构是建立在Java多线程机制之上的，它的生命周期是由Web 容器负责的。一个Servlet类在Application中只有一个实例存在，也就是有多个线程在使用这个实例。这是单例模式的应用。无状态的单例是线程安全的，但我们如果在Servlet里用了实例变量，那么就变成有状态了，是非线程安全的。如下面的用法就是不安全的,因为user,out都是有状态信息的。 

/**
 * 非线程安全的Servlet。
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class UnSafeServlet HttpServlet{

    User user;
    PrintWriter out;

    public void doGet (HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)throws ServletException, IOException{
        //do something...
    }
}

Out,Request,Response,Session,Config,Page,PageContext是线程安全的,Application在整个系统内被使用,所以不是线程安全的. 

2.Struts1也是基于单例模式实现，也就是只有一个Action实例供多线程使用。默认的模式是前台页面数据通过actionForm传入，在action中的excute方法接收，这样action是无状态的，所以一般情况下Strunts1是线程安全的。如果Action中用了实例变量，那么就变成有状态了，同样是非线程安全的。像下面这样就是线程不安全的。 

/**
 * 非线程安全的Struts1示例
 *
 * @author Peter Wei
 *
 */
public class UnSafeAction1 extends Action {

    // 因为Struts1是单例实现，有状态情况下，对象引用是非线程安全的
    User user;

    public void execute() {
        // do something...
    }

    public User getUser() {
        return user;
    }

    public void setUser(User user) {
        this.user = user;
    }
}

3.Struts2默认的实现是Prototype模式。也就是每个请求都新生成一个Action实例，所以不存在线程安全问题。需要注意的是，如果由Spring管理action的生命周期， scope要配成prototype作用域。 

4.如何解决Servlet和Struts1的线程安全问题，当我们能比较好的理解有状态和无状态的原理，自然很容易得出结论：不要使用有状态的bean,也就是不要用实例变量。如果用，就要用prototype模式。Struts1 user guide里有： Only Use Local Variables - The most important principle that aids in thread-safe coding is to use only local variables, not instance variables , in your Action class. 

总结： 
Stateless无状态用单例Singleton模式，Stateful有状态就用原型Prototype模式。 
Stateful 有状态是多线程编码的天敌，所以在开发中尽量用Stateless无状态，无状态是不变(immutable)模式的应用，有很多优点：不用管线程和同步的问题，如果值是不可变的，程序不用担心多个线程改变共享状态，所以可以避免线程竞争的bugs. 因为没有竞争，就不用用locks等机制，所以无状态的不变机制，也可以避免产生死锁现象。 

国外一些哥们的观点： 
Immutable objects may not be altered after their creation. So: Yes, they are some kind of stateless.As immutable objects can not be changed, there is no need for locking - reading access to objects is always threadsafe (when not modifying variables). Therefore, real immutable objects are always threadsafe. 

Rod Johnson大叔的观点： 
Stateless or Stateful? 
Service objects will usually be stateless. Stateless service layers are highly scalable: They pose no replication issues and there is no need to allocate additional resources for every client. (Remember that one of 
the key motivations of a middle tier is to share resources between multiple clients.) It is also much easier for stateless service layers to support remote clients, if necessary. A stateless service layer is one concession of object orientation that I find not too painful. 
此处省去N个字。 
If possible, design applications to use a stateless service layer. Hold state in the web tier, rather than in the business logic tier, if possible. 

关于不变模式分析，请参考 http://www.iteye.com/topic/959751