精通有状态和无状态(Stateful vs Stateless)

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。

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：

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。
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。
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)

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。
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。
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。
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:

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。

/** 1. 非线程安全的Servlet。 2. @author Peter Wei 3. */
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。

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;}
}

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。

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：

1. Stateless无状态用单例Singleton模式，Stateful有状态就用原型Prototype模式。

2. 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。