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极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/48 | 代理模式：代理在RPC、缓存、监控等场景中的应用.md
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极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/48 | 代理模式：代理在RPC、缓存、监控等场景中的应用.md
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<audio id="audio" title="48 | 代理模式：代理在RPC、缓存、监控等场景中的应用" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/fd/0f/fd357a7b4206ab30616d3485492db30f.mp3"></audio>
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前面几节，我们学习了设计模式中的创建型模式。创建型模式主要解决对象的创建问题，封装复杂的创建过程，解耦对象的创建代码和使用代码。
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其中，单例模式用来创建全局唯一的对象。工厂模式用来创建不同但是相关类型的对象（继承同一父类或者接口的一组子类），由给定的参数来决定创建哪种类型的对象。建造者模式是用来创建复杂对象，可以通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。原型模式针对创建成本比较大的对象，利用对已有对象进行复制的方式进行创建，以达到节省创建时间的目的。
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从今天起，我们开始学习另外一种类型的设计模式：结构型模式。结构型模式主要总结了一些类或对象组合在一起的经典结构，这些经典的结构可以解决特定应用场景的问题。结构型模式包括：代理模式、桥接模式、装饰器模式、适配器模式、门面模式、组合模式、享元模式。今天我们要讲其中的代理模式。它也是在实际开发中经常被用到的一种设计模式。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 代理模式的原理解析
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**代理模式**（Proxy Design Pattern）的原理和代码实现都不难掌握。它在不改变原始类（或叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。我们通过一个简单的例子来解释一下这段话。
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这个例子来自我们在第25、26、39、40节中讲的性能计数器。当时我们开发了一个MetricsCollector类，用来收集接口请求的原始数据，比如访问时间、处理时长等。在业务系统中，我们采用如下方式来使用这个MetricsCollector类：
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```
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public class UserController {
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//...省略其他属性和方法...
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private MetricsCollector metricsCollector; // 依赖注入
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public UserVo login(String telephone, String password) {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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// ... 省略login逻辑...
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long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
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metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
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//...返回UserVo数据...
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}
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public UserVo register(String telephone, String password) {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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// ... 省略register逻辑...
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||||
long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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||||
RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
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metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
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//...返回UserVo数据...
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}
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}
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```
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很明显，上面的写法有两个问题。第一，性能计数器框架代码侵入到业务代码中，跟业务代码高度耦合。如果未来需要替换这个框架，那替换的成本会比较大。第二，收集接口请求的代码跟业务代码无关，本就不应该放到一个类中。业务类最好职责更加单一，只聚焦业务处理。
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为了将框架代码和业务代码解耦，代理模式就派上用场了。代理类UserControllerProxy和原始类UserController实现相同的接口IUserController。UserController类只负责业务功能。代理类UserControllerProxy负责在业务代码执行前后附加其他逻辑代码，并通过委托的方式调用原始类来执行业务代码。具体的代码实现如下所示：
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```
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public interface IUserController {
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UserVo login(String telephone, String password);
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UserVo register(String telephone, String password);
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}
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public class UserController implements IUserController {
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//...省略其他属性和方法...
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@Override
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public UserVo login(String telephone, String password) {
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||||
//...省略login逻辑...
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||||
//...返回UserVo数据...
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||||
}
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||||
@Override
|
||||
public UserVo register(String telephone, String password) {
|
||||
//...省略register逻辑...
|
||||
//...返回UserVo数据...
|
||||
}
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||||
}
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public class UserControllerProxy implements IUserController {
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private MetricsCollector metricsCollector;
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private UserController userController;
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public UserControllerProxy(UserController userController) {
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this.userController = userController;
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this.metricsCollector = new MetricsCollector();
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}
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@Override
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public UserVo login(String telephone, String password) {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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// 委托
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UserVo userVo = userController.login(telephone, password);
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long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
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metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
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return userVo;
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}
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@Override
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public UserVo register(String telephone, String password) {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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UserVo userVo = userController.register(telephone, password);
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long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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||||
long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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||||
RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
|
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metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
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return userVo;
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}
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}
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//UserControllerProxy使用举例
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//因为原始类和代理类实现相同的接口，是基于接口而非实现编程
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//将UserController类对象替换为UserControllerProxy类对象，不需要改动太多代码
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IUserController userController = new UserControllerProxy(new UserController());
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```
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参照基于接口而非实现编程的设计思想，将原始类对象替换为代理类对象的时候，为了让代码改动尽量少，在刚刚的代理模式的代码实现中，代理类和原始类需要实现相同的接口。但是，如果原始类并没有定义接口，并且原始类代码并不是我们开发维护的（比如它来自一个第三方的类库），我们也没办法直接修改原始类，给它重新定义一个接口。在这种情况下，我们该如何实现代理模式呢？
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对于这种外部类的扩展，我们一般都是采用继承的方式。这里也不例外。我们让代理类继承原始类，然后扩展附加功能。原理很简单，不需要过多解释，你直接看代码就能明白。具体代码如下所示：
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```
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public class UserControllerProxy extends UserController {
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private MetricsCollector metricsCollector;
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public UserControllerProxy() {
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this.metricsCollector = new MetricsCollector();
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}
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public UserVo login(String telephone, String password) {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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UserVo userVo = super.login(telephone, password);
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long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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||||
RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
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||||
metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
|
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|
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return userVo;
|
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}
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public UserVo register(String telephone, String password) {
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||||
long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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|
||||
UserVo userVo = super.register(telephone, password);
|
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|
||||
long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
|
||||
long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
|
||||
RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
|
||||
metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
|
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|
||||
return userVo;
|
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}
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}
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//UserControllerProxy使用举例
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UserController userController = new UserControllerProxy();
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```
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## 动态代理的原理解析
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不过，刚刚的代码实现还是有点问题。一方面，我们需要在代理类中，将原始类中的所有的方法，都重新实现一遍，并且为每个方法都附加相似的代码逻辑。另一方面，如果要添加的附加功能的类有不止一个，我们需要针对每个类都创建一个代理类。
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如果有50个要添加附加功能的原始类，那我们就要创建50个对应的代理类。这会导致项目中类的个数成倍增加，增加了代码维护成本。并且，每个代理类中的代码都有点像模板式的“重复”代码，也增加了不必要的开发成本。那这个问题怎么解决呢？
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我们可以使用动态代理来解决这个问题。所谓**动态代理**（Dynamic Proxy），就是我们不事先为每个原始类编写代理类，而是在运行的时候，动态地创建原始类对应的代理类，然后在系统中用代理类替换掉原始类。那如何实现动态代理呢？
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如果你熟悉的是Java语言，实现动态代理就是件很简单的事情。因为Java语言本身就已经提供了动态代理的语法（实际上，动态代理底层依赖的就是Java的反射语法）。我们来看一下，如何用Java的动态代理来实现刚刚的功能。具体的代码如下所示。其中，MetricsCollectorProxy作为一个动态代理类，动态地给每个需要收集接口请求信息的类创建代理类。
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```
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public class MetricsCollectorProxy {
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private MetricsCollector metricsCollector;
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public MetricsCollectorProxy() {
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this.metricsCollector = new MetricsCollector();
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}
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public Object createProxy(Object proxiedObject) {
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Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces();
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DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject);
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return Proxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(), interfaces, handler);
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}
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private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
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private Object proxiedObject;
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public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) {
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this.proxiedObject = proxiedObject;
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}
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@Override
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public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
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long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
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Object result = method.invoke(proxiedObject, args);
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long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
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long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
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String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" + method.getName();
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RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, startTimestamp);
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metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
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return result;
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}
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}
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}
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//MetricsCollectorProxy使用举例
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MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy();
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IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(new UserController());
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```
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实际上，Spring AOP底层的实现原理就是基于动态代理。用户配置好需要给哪些类创建代理，并定义好在执行原始类的业务代码前后执行哪些附加功能。Spring为这些类创建动态代理对象，并在JVM中替代原始类对象。原本在代码中执行的原始类的方法，被换作执行代理类的方法，也就实现了给原始类添加附加功能的目的。
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## 代理模式的应用场景
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代理模式的应用场景非常多，我这里列举一些比较常见的用法，希望你能举一反三地应用在你的项目开发中。
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### 1.业务系统的非功能性需求开发
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代理模式最常用的一个应用场景就是，在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。我们将这些附加功能与业务功能解耦，放到代理类中统一处理，让程序员只需要关注业务方面的开发。实际上，前面举的搜集接口请求信息的例子，就是这个应用场景的一个典型例子。
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如果你熟悉Java语言和Spring开发框架，这部分工作都是可以在Spring AOP切面中完成的。前面我们也提到，Spring AOP底层的实现原理就是基于动态代理。
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### 2.代理模式在RPC、缓存中的应用
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**实际上，RPC框架也可以看作一种代理模式**，GoF的《设计模式》一书中把它称作远程代理。通过远程代理，将网络通信、数据编解码等细节隐藏起来。客户端在使用RPC服务的时候，就像使用本地函数一样，无需了解跟服务器交互的细节。除此之外，RPC服务的开发者也只需要开发业务逻辑，就像开发本地使用的函数一样，不需要关注跟客户端的交互细节。
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关于远程代理的代码示例，我自己实现了一个简单的RPC框架Demo，放到了GitHub中，你可以点击这里的[链接](https://github.com/wangzheng0822/codedesign/tree/master/com/xzg/cd/rpc)查看。
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**我们再来看代理模式在缓存中的应用。**假设我们要开发一个接口请求的缓存功能，对于某些接口请求，如果入参相同，在设定的过期时间内，直接返回缓存结果，而不用重新进行逻辑处理。比如，针对获取用户个人信息的需求，我们可以开发两个接口，一个支持缓存，一个支持实时查询。对于需要实时数据的需求，我们让其调用实时查询接口，对于不需要实时数据的需求，我们让其调用支持缓存的接口。那如何来实现接口请求的缓存功能呢？
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最简单的实现方法就是刚刚我们讲到的，给每个需要支持缓存的查询需求都开发两个不同的接口，一个支持缓存，一个支持实时查询。但是，这样做显然增加了开发成本，而且会让代码看起来非常臃肿（接口个数成倍增加），也不方便缓存接口的集中管理（增加、删除缓存接口）、集中配置（比如配置每个接口缓存过期时间）。
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针对这些问题，代理模式就能派上用场了，确切地说，应该是动态代理。如果是基于Spring框架来开发的话，那就可以在AOP切面中完成接口缓存的功能。在应用启动的时候，我们从配置文件中加载需要支持缓存的接口，以及相应的缓存策略（比如过期时间）等。当请求到来的时候，我们在AOP切面中拦截请求，如果请求中带有支持缓存的字段（比如http://…?..&cached=true），我们便从缓存（内存缓存或者Redis缓存等）中获取数据直接返回。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要掌握的重点内容。
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**1.代理模式的原理与实现**
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在不改变原始类（或叫被代理类）的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。一般情况下，我们让代理类和原始类实现同样的接口。但是，如果原始类并没有定义接口，并且原始类代码并不是我们开发维护的。在这种情况下，我们可以通过让代理类继承原始类的方法来实现代理模式。
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**2.动态代理的原理与实现**
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静态代理需要针对每个类都创建一个代理类，并且每个代理类中的代码都有点像模板式的“重复”代码，增加了维护成本和开发成本。对于静态代理存在的问题，我们可以通过动态代理来解决。我们不事先为每个原始类编写代理类，而是在运行的时候动态地创建原始类对应的代理类，然后在系统中用代理类替换掉原始类。
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**3.代理模式的应用场景**
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代理模式常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。我们将这些附加功能与业务功能解耦，放到代理类统一处理，让程序员只需要关注业务方面的开发。除此之外，代理模式还可以用在RPC、缓存等应用场景中。
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## 课堂讨论
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1. 除了Java语言之外，在你熟悉的其他语言中，如何实现动态代理呢？
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1. 我们今天讲了两种代理模式的实现方法，一种是基于组合，一种基于继承，请对比一下两者的优缺点。
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欢迎留言和我分享你的思考，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/49 | 桥接模式：如何实现支持不同类型和渠道的消息推送系统？.md
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277
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/49 | 桥接模式：如何实现支持不同类型和渠道的消息推送系统？.md
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<audio id="audio" title="49 | 桥接模式：如何实现支持不同类型和渠道的消息推送系统？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/60/44/609a823e70d424f5cffc6dbc8c7f5b44.mp3"></audio>
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上一节课我们学习了第一种结构型模式：代理模式。它在不改变原始类（或者叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。代理模式在平时的开发经常被用到，常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。
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今天，我们再学习另外一种结构型模式：桥接模式。桥接模式的代码实现非常简单，但是理解起来稍微有点难度，并且应用场景也比较局限，所以，相当于代理模式来说，桥接模式在实际的项目中并没有那么常用，你只需要简单了解，见到能认识就可以，并不是我们学习的重点。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 桥接模式的原理解析
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**桥接模式**，也叫作**桥梁模式**，英文是**Bridge Design Pattern**。这个模式可以说是23种设计模式中最难理解的模式之一了。我查阅了比较多的书籍和资料之后发现，对于这个模式有两种不同的理解方式。
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当然，这其中“最纯正”的理解方式，当属GoF的《设计模式》一书中对桥接模式的定义。毕竟，这23种经典的设计模式，最初就是由这本书总结出来的。在GoF的《设计模式》一书中，桥接模式是这么定义的：“Decouple an abstraction from its implementation so that the two can vary independently。”翻译成中文就是：“将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化。”
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关于桥接模式，很多书籍、资料中，还有另外一种理解方式：“一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，我们通过组合的方式，让这两个（或多个）维度可以独立进行扩展。”通过组合关系来替代继承关系，避免继承层次的指数级爆炸。这种理解方式非常类似于，我们之前讲过的“组合优于继承”设计原则，所以，这里我就不多解释了。我们重点看下GoF的理解方式。
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GoF给出的定义非常的简短，单凭这一句话，估计没几个人能看懂是什么意思。所以，我们通过JDBC驱动的例子来解释一下。JDBC驱动是桥接模式的经典应用。我们先来看一下，如何利用JDBC驱动来查询数据库。具体的代码如下所示：
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```
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Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");//加载及注册JDBC驱动程序
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String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/sample_db?user=root&password=your_password";
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Connection con = DriverManager.getConnection(url);
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Statement stmt = con.createStatement()；
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String query = "select * from test";
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ResultSet rs=stmt.executeQuery(query);
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while(rs.next()) {
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rs.getString(1);
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rs.getInt(2);
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}
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```
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如果我们想要把MySQL数据库换成Oracle数据库，只需要把第一行代码中的com.mysql.jdbc.Driver换成oracle.jdbc.driver.OracleDriver就可以了。当然，也有更灵活的实现方式，我们可以把需要加载的Driver类写到配置文件中，当程序启动的时候，自动从配置文件中加载，这样在切换数据库的时候，我们都不需要修改代码，只需要修改配置文件就可以了。
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不管是改代码还是改配置，在项目中，从一个数据库切换到另一种数据库，都只需要改动很少的代码，或者完全不需要改动代码，那如此优雅的数据库切换是如何实现的呢？
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源码之下无秘密。要弄清楚这个问题，我们先从com.mysql.jdbc.Driver这个类的代码看起。我摘抄了部分相关代码，放到了这里，你可以看一下。
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```
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package com.mysql.jdbc;
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import java.sql.SQLException;
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public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
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static {
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try {
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java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
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} catch (SQLException E) {
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throw new RuntimeException("Can't register driver!");
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}
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||||
}
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/**
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||||
* Construct a new driver and register it with DriverManager
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* @throws SQLException if a database error occurs.
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*/
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public Driver() throws SQLException {
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// Required for Class.forName().newInstance()
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}
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||||
}
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```
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结合com.mysql.jdbc.Driver的代码实现，我们可以发现，当执行Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”)这条语句的时候，实际上是做了两件事情。第一件事情是要求JVM查找并加载指定的Driver类，第二件事情是执行该类的静态代码，也就是将MySQL Driver注册到DriverManager类中。
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||||
现在，我们再来看一下，DriverManager类是干什么用的。具体的代码如下所示。当我们把具体的Driver实现类（比如，com.mysql.jdbc.Driver）注册到DriverManager之后，后续所有对JDBC接口的调用，都会委派到对具体的Driver实现类来执行。而Driver实现类都实现了相同的接口（java.sql.Driver ），这也是可以灵活切换Driver的原因。
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||||
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||||
```
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||||
public class DriverManager {
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||||
private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<DriverInfo>();
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||||
|
||||
//...
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||||
static {
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||||
loadInitialDrivers();
|
||||
println("JDBC DriverManager initialized");
|
||||
}
|
||||
//...
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||||
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||||
public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver) throws SQLException {
|
||||
if (driver != null) {
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||||
registeredDrivers.addIfAbsent(new DriverInfo(driver));
|
||||
} else {
|
||||
throw new NullPointerException();
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
public static Connection getConnection(String url, String user, String password) throws SQLException {
|
||||
java.util.Properties info = new java.util.Properties();
|
||||
if (user != null) {
|
||||
info.put("user", user);
|
||||
}
|
||||
if (password != null) {
|
||||
info.put("password", password);
|
||||
}
|
||||
return (getConnection(url, info, Reflection.getCallerClass()));
|
||||
}
|
||||
//...
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
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||||
桥接模式的定义是“将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化”。那弄懂定义中“抽象”和“实现”两个概念，就是理解桥接模式的关键。那在JDBC这个例子中，什么是“抽象”？什么是“实现”呢？
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实际上，JDBC本身就相当于“抽象”。注意，这里所说的“抽象”，指的并非“抽象类”或“接口”，而是跟具体的数据库无关的、被抽象出来的一套“类库”。具体的Driver（比如，com.mysql.jdbc.Driver）就相当于“实现”。注意，这里所说的“实现”，也并非指“接口的实现类”，而是跟具体数据库相关的一套“类库”。JDBC和Driver独立开发，通过对象之间的组合关系，组装在一起。JDBC的所有逻辑操作，最终都委托给Driver来执行。
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||||
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||||
我画了一张图帮助你理解，你可以结合着我刚才的讲解一块看。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/81/40/812234b0717043a67c2d62ea8e783b40.jpg" alt="">
|
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## 桥接模式的应用举例
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在[第16节](https://time.geekbang.org/column/article/176075)中，我们讲过一个API接口监控告警的例子：根据不同的告警规则，触发不同类型的告警。告警支持多种通知渠道，包括：邮件、短信、微信、自动语音电话。通知的紧急程度有多种类型，包括：SEVERE（严重）、URGENCY（紧急）、NORMAL（普通）、TRIVIAL（无关紧要）。不同的紧急程度对应不同的通知渠道。比如，SERVE（严重）级别的消息会通过“自动语音电话”告知相关人员。
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||||
在当时的代码实现中，关于发送告警信息那部分代码，我们只给出了粗略的设计，现在我们来一块实现一下。我们先来看最简单、最直接的一种实现方式。代码如下所示：
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```
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public enum NotificationEmergencyLevel {
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SEVERE, URGENCY, NORMAL, TRIVIAL
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}
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public class Notification {
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||||
private List<String> emailAddresses;
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||||
private List<String> telephones;
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||||
private List<String> wechatIds;
|
||||
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||||
public Notification() {}
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||||
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||||
public void setEmailAddress(List<String> emailAddress) {
|
||||
this.emailAddresses = emailAddress;
|
||||
}
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||||
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||||
public void setTelephones(List<String> telephones) {
|
||||
this.telephones = telephones;
|
||||
}
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||||
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||||
public void setWechatIds(List<String> wechatIds) {
|
||||
this.wechatIds = wechatIds;
|
||||
}
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||||
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||||
public void notify(NotificationEmergencyLevel level, String message) {
|
||||
if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.SEVERE)) {
|
||||
//...自动语音电话
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||||
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.URGENCY)) {
|
||||
//...发微信
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||||
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.NORMAL)) {
|
||||
//...发邮件
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||||
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.TRIVIAL)) {
|
||||
//...发邮件
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
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||||
//在API监控告警的例子中，我们如下方式来使用Notification类：
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||||
public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {
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public ErrorAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification){
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||||
super(rule, notification);
|
||||
}
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||||
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|
||||
@Override
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||||
public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
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||||
if (apiStatInfo.getErrorCount() > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi()).getMaxErrorCount()) {
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||||
notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
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||||
}
|
||||
}
|
||||
}
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```
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||||
Notification类的代码实现有一个最明显的问题，那就是有很多if-else分支逻辑。实际上，如果每个分支中的代码都不复杂，后期也没有无限膨胀的可能（增加更多if-else分支判断），那这样的设计问题并不大，没必要非得一定要摒弃if-else分支逻辑。
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||||
|
||||
不过，Notification的代码显然不符合这个条件。因为每个if-else分支中的代码逻辑都比较复杂，发送通知的所有逻辑都扎堆在Notification类中。我们知道，类的代码越多，就越难读懂，越难修改，维护的成本也就越高。很多设计模式都是试图将庞大的类拆分成更细小的类，然后再通过某种更合理的结构组装在一起。
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||||
针对Notification的代码，我们将不同渠道的发送逻辑剥离出来，形成独立的消息发送类（MsgSender相关类）。其中，Notification类相当于抽象，MsgSender类相当于实现，两者可以独立开发，通过组合关系（也就是桥梁）任意组合在一起。所谓任意组合的意思就是，不同紧急程度的消息和发送渠道之间的对应关系，不是在代码中固定写死的，我们可以动态地去指定（比如，通过读取配置来获取对应关系）。
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||||
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||||
按照这个设计思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
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```
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public interface MsgSender {
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||||
void send(String message);
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||||
}
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||||
public class TelephoneMsgSender implements MsgSender {
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||||
private List<String> telephones;
|
||||
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||||
public TelephoneMsgSender(List<String> telephones) {
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||||
this.telephones = telephones;
|
||||
}
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||||
|
||||
@Override
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||||
public void send(String message) {
|
||||
//...
|
||||
}
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||||
|
||||
}
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||||
public class EmailMsgSender implements MsgSender {
|
||||
// 与TelephoneMsgSender代码结构类似，所以省略...
|
||||
}
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||||
public class WechatMsgSender implements MsgSender {
|
||||
// 与TelephoneMsgSender代码结构类似，所以省略...
|
||||
}
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public abstract class Notification {
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||||
protected MsgSender msgSender;
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||||
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||||
public Notification(MsgSender msgSender) {
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||||
this.msgSender = msgSender;
|
||||
}
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||||
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||||
public abstract void notify(String message);
|
||||
}
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||||
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||||
public class SevereNotification extends Notification {
|
||||
public SevereNotification(MsgSender msgSender) {
|
||||
super(msgSender);
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public void notify(String message) {
|
||||
msgSender.send(message);
|
||||
}
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||||
}
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||||
public class UrgencyNotification extends Notification {
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||||
// 与SevereNotification代码结构类似，所以省略...
|
||||
}
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||||
public class NormalNotification extends Notification {
|
||||
// 与SevereNotification代码结构类似，所以省略...
|
||||
}
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||||
public class TrivialNotification extends Notification {
|
||||
// 与SevereNotification代码结构类似，所以省略...
|
||||
}
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```
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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总体上来讲，桥接模式的原理比较难理解，但代码实现相对简单。
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||||
对于这个模式有两种不同的理解方式。在GoF的《设计模式》一书中，桥接模式被定义为：“将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化。”在其他资料和书籍中，还有另外一种更加简单的理解方式：“一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，我们通过组合的方式，让这两个（或多个）维度可以独立进行扩展。”
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||||
|
||||
对于第一种GoF的理解方式，弄懂定义中“抽象”和“实现”两个概念，是理解它的关键。定义中的“抽象”，指的并非“抽象类”或“接口”，而是被抽象出来的一套“类库”，它只包含骨架代码，真正的业务逻辑需要委派给定义中的“实现”来完成。而定义中的“实现”，也并非“接口的实现类”，而是一套独立的“类库”。“抽象”和“实现”独立开发，通过对象之间的组合关系，组装在一起。
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||||
对于第二种理解方式，它非常类似我们之前讲过的“组合优于继承”设计原则，通过组合关系来替代继承关系，避免继承层次的指数级爆炸。
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## 课堂讨论
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在桥接模式的第二种理解方式的第一段代码实现中，Notification类中的三个成员变量通过set方法来设置，但是这样的代码实现存在一个明显的问题，那就是emailAddresses、telephones、wechatIds中的数据有可能在Notification类外部被修改，那如何重构代码才能避免这种情况的发生呢？
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```
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||||
public class Notification {
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private List<String> emailAddresses;
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||||
private List<String> telephones;
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private List<String> wechatIds;
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||||
public Notification() {}
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||||
public void setEmailAddress(List<String> emailAddress) {
|
||||
this.emailAddresses = emailAddress;
|
||||
}
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||||
|
||||
public void setTelephones(List<String> telephones) {
|
||||
this.telephones = telephones;
|
||||
}
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||||
|
||||
public void setWechatIds(List<String> wechatIds) {
|
||||
this.wechatIds = wechatIds;
|
||||
}
|
||||
//...
|
||||
}
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```
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欢迎留言和我分享你的思考和疑惑。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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253
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式.md
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253
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式.md
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@@ -0,0 +1,253 @@
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<audio id="audio" title="50 | 装饰器模式：通过剖析Java IO类库源码学习装饰器模式" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/bf/b3/bf96b1c08abd5e8fbfd86004bfc108b3.mp3"></audio>
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上一节课我们学习了桥接模式，桥接模式有两种理解方式。第一种理解方式是“将抽象和实现解耦，让它们能独立开发”。这种理解方式比较特别，应用场景也不多。另一种理解方式更加简单，类似“组合优于继承”设计原则，这种理解方式更加通用，应用场景比较多。不管是哪种理解方式，它们的代码结构都是相同的，都是一种类之间的组合关系。
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今天，我们通过剖析Java IO类的设计思想，再学习一种新的结构型模式，装饰器模式。它的代码结构跟桥接模式非常相似，不过，要解决的问题却大不相同。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## Java IO类的“奇怪”用法
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Java IO类库非常庞大和复杂，有几十个类，负责IO数据的读取和写入。如果对Java IO类做一下分类，我们可以从下面两个维度将它划分为四类。具体如下所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/50/05/507526c2e4b255a45c60722df14f9a05.jpg" alt="">
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针对不同的读取和写入场景，Java IO又在这四个父类基础之上，扩展出了很多子类。具体如下所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/50/13/5082df8e7d5a4d44a34811b9f562d613.jpg" alt="">
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在我初学Java的时候，曾经对Java IO的一些用法产生过很大疑惑，比如下面这样一段代码。我们打开文件test.txt，从中读取数据。其中，InputStream是一个抽象类，FileInputStream是专门用来读取文件流的子类。BufferedInputStream是一个支持带缓存功能的数据读取类，可以提高数据读取的效率。
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```
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||||
InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
|
||||
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
|
||||
byte[] data = new byte[128];
|
||||
while (bin.read(data) != -1) {
|
||||
//...
|
||||
}
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||||
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```
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||||
初看上面的代码，我们会觉得Java IO的用法比较麻烦，需要先创建一个FileInputStream对象，然后再传递给BufferedInputStream对象来使用。我在想，Java IO为什么不设计一个继承FileInputStream并且支持缓存的BufferedFileInputStream类呢？这样我们就可以像下面的代码中这样，直接创建一个BufferedFileInputStream类对象，打开文件读取数据，用起来岂不是更加简单？
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||||
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```
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||||
InputStream bin = new BufferedFileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
|
||||
byte[] data = new byte[128];
|
||||
while (bin.read(data) != -1) {
|
||||
//...
|
||||
}
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||||
|
||||
```
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||||
## 基于继承的设计方案
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如果InputStream只有一个子类FileInputStream的话，那我们在FileInputStream基础之上，再设计一个孙子类BufferedFileInputStream，也算是可以接受的，毕竟继承结构还算简单。但实际上，继承InputStream的子类有很多。我们需要给每一个InputStream的子类，再继续派生支持缓存读取的子类。
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||||
|
||||
除了支持缓存读取之外，如果我们还需要对功能进行其他方面的增强，比如下面的DataInputStream类，支持按照基本数据类型（int、boolean、long等）来读取数据。
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```
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||||
FileInputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
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||||
DataInputStream din = new DataInputStream(in);
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||||
int data = din.readInt();
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||||
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||||
```
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||||
在这种情况下，如果我们继续按照继承的方式来实现的话，就需要再继续派生出DataFileInputStream、DataPipedInputStream等类。如果我们还需要既支持缓存、又支持按照基本类型读取数据的类，那就要再继续派生出BufferedDataFileInputStream、BufferedDataPipedInputStream等n多类。这还只是附加了两个增强功能，如果我们需要附加更多的增强功能，那就会导致组合爆炸，类继承结构变得无比复杂，代码既不好扩展，也不好维护。这也是我们在[第10节](https://time.geekbang.org/column/article/169593)中讲的不推荐使用继承的原因。
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||||
## 基于装饰器模式的设计方案
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||||
在第10节中，我们还讲到“组合优于继承”，可以“使用组合来替代继承”。针对刚刚的继承结构过于复杂的问题，我们可以通过将继承关系改为组合关系来解决。下面的代码展示了Java IO的这种设计思路。不过，我对代码做了简化，只抽象出了必要的代码结构，如果你感兴趣的话，可以直接去查看JDK源码。
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```
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||||
public abstract class InputStream {
|
||||
//...
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||||
public int read(byte b[]) throws IOException {
|
||||
return read(b, 0, b.length);
|
||||
}
|
||||
|
||||
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
|
||||
//...
|
||||
}
|
||||
|
||||
public long skip(long n) throws IOException {
|
||||
//...
|
||||
}
|
||||
|
||||
public int available() throws IOException {
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void close() throws IOException {}
|
||||
|
||||
public synchronized void mark(int readlimit) {}
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||||
|
||||
public synchronized void reset() throws IOException {
|
||||
throw new IOException("mark/reset not supported");
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||||
}
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||||
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||||
public boolean markSupported() {
|
||||
return false;
|
||||
}
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||||
}
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||||
|
||||
public class BufferedInputStream extends InputStream {
|
||||
protected volatile InputStream in;
|
||||
|
||||
protected BufferedInputStream(InputStream in) {
|
||||
this.in = in;
|
||||
}
|
||||
|
||||
//...实现基于缓存的读数据接口...
|
||||
}
|
||||
|
||||
public class DataInputStream extends InputStream {
|
||||
protected volatile InputStream in;
|
||||
|
||||
protected DataInputStream(InputStream in) {
|
||||
this.in = in;
|
||||
}
|
||||
|
||||
//...实现读取基本类型数据的接口
|
||||
}
|
||||
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||||
```
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||||
看了上面的代码，你可能会问，那装饰器模式就是简单的“用组合替代继承”吗？当然不是。从Java IO的设计来看，装饰器模式相对于简单的组合关系，还有两个比较特殊的地方。
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**第一个比较特殊的地方是：装饰器类和原始类继承同样的父类，这样我们可以对原始类“嵌套”多个装饰器类。**比如，下面这样一段代码，我们对FileInputStream嵌套了两个装饰器类：BufferedInputStream和DataInputStream，让它既支持缓存读取，又支持按照基本数据类型来读取数据。
|
||||
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||||
```
|
||||
InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
|
||||
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
|
||||
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
|
||||
int data = din.readInt();
|
||||
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||||
```
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|
||||
**第二个比较特殊的地方是：装饰器类是对功能的增强，这也是装饰器模式应用场景的一个重要特点。**实际上，符合“组合关系”这种代码结构的设计模式有很多，比如之前讲过的代理模式、桥接模式，还有现在的装饰器模式。尽管它们的代码结构很相似，但是每种设计模式的意图是不同的。就拿比较相似的代理模式和装饰器模式来说吧，代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。
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||||
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```
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||||
// 代理模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
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||||
public interface IA {
|
||||
void f();
|
||||
}
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||||
public class A impelements IA {
|
||||
public void f() { //... }
|
||||
}
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||||
public class AProxy implements IA {
|
||||
private IA a;
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||||
public AProxy(IA a) {
|
||||
this.a = a;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void f() {
|
||||
// 新添加的代理逻辑
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||||
a.f();
|
||||
// 新添加的代理逻辑
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 装饰器模式的代码结构(下面的接口也可以替换成抽象类)
|
||||
public interface IA {
|
||||
void f();
|
||||
}
|
||||
public class A implements IA {
|
||||
public void f() { //... }
|
||||
}
|
||||
public class ADecorator implements IA {
|
||||
private IA a;
|
||||
public ADecorator(IA a) {
|
||||
this.a = a;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void f() {
|
||||
// 功能增强代码
|
||||
a.f();
|
||||
// 功能增强代码
|
||||
}
|
||||
}
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```
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||||
实际上，如果去查看JDK的源码，你会发现，BufferedInputStream、DataInputStream并非继承自InputStream，而是另外一个叫FilterInputStream的类。那这又是出于什么样的设计意图，才引入这样一个类呢？
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||||
我们再重新来看一下BufferedInputStream类的代码。InputStream是一个抽象类而非接口，而且它的大部分函数（比如read()、available()）都有默认实现，按理来说，我们只需要在BufferedInputStream类中重新实现那些需要增加缓存功能的函数就可以了，其他函数继承InputStream的默认实现。但实际上，这样做是行不通的。
|
||||
|
||||
对于即便是不需要增加缓存功能的函数来说，BufferedInputStream还是必须把它重新实现一遍，简单包裹对InputStream对象的函数调用。具体的代码示例如下所示。如果不重新实现，那BufferedInputStream类就无法将最终读取数据的任务，委托给传递进来的InputStream对象来完成。这一部分稍微有点不好理解，你自己多思考一下。
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```
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public class BufferedInputStream extends InputStream {
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protected volatile InputStream in;
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||||
protected BufferedInputStream(InputStream in) {
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||||
this.in = in;
|
||||
}
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||||
// f()函数不需要增强，只是重新调用一下InputStream in对象的f()
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public void f() {
|
||||
in.f();
|
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}
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}
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```
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实际上，DataInputStream也存在跟BufferedInputStream同样的问题。为了避免代码重复，Java IO抽象出了一个装饰器父类FilterInputStream，代码实现如下所示。InputStream的所有的装饰器类（BufferedInputStream、DataInputStream）都继承自这个装饰器父类。这样，装饰器类只需要实现它需要增强的方法就可以了，其他方法继承装饰器父类的默认实现。
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```
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public class FilterInputStream extends InputStream {
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protected volatile InputStream in;
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protected FilterInputStream(InputStream in) {
|
||||
this.in = in;
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}
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public int read() throws IOException {
|
||||
return in.read();
|
||||
}
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||||
public int read(byte b[]) throws IOException {
|
||||
return read(b, 0, b.length);
|
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}
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|
||||
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
|
||||
return in.read(b, off, len);
|
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}
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public long skip(long n) throws IOException {
|
||||
return in.skip(n);
|
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}
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|
||||
public int available() throws IOException {
|
||||
return in.available();
|
||||
}
|
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|
||||
public void close() throws IOException {
|
||||
in.close();
|
||||
}
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|
||||
public synchronized void mark(int readlimit) {
|
||||
in.mark(readlimit);
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}
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||||
public synchronized void reset() throws IOException {
|
||||
in.reset();
|
||||
}
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public boolean markSupported() {
|
||||
return in.markSupported();
|
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}
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}
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```
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通过组合来替代继承。它主要的作用是给原始类添加增强功能。这也是判断是否该用装饰器模式的一个重要的依据。除此之外，装饰器模式还有一个特点，那就是可以对原始类嵌套使用多个装饰器。为了满足这个应用场景，在设计的时候，装饰器类需要跟原始类继承相同的抽象类或者接口。
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## 课堂讨论
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在上节课中，我们讲到，可以通过代理模式给接口添加缓存功能。在这节课中，我们又通过装饰者模式给InputStream添加缓存读取数据功能。那对于“添加缓存”这个应用场景来说，我们到底是该用代理模式还是装饰器模式呢？你怎么看待这个问题？
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欢迎留言和我分享你的思考，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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416
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/51 | 适配器模式：代理、适配器、桥接、装饰，这四个模式有何区别？.md
Normal file
416
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/51 | 适配器模式：代理、适配器、桥接、装饰，这四个模式有何区别？.md
Normal file
@@ -0,0 +1,416 @@
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<audio id="audio" title="51 | 适配器模式：代理、适配器、桥接、装饰，这四个模式有何区别？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/c9/95/c9ee024975f0ec5002007a88bd9e0795.mp3"></audio>
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前面几节课我们学习了代理模式、桥接模式、装饰器模式，今天，我们再来学习一个比较常用的结构型模式：适配器模式。这个模式相对来说还是比较简单、好理解的，应用场景也很具体，总体上来讲比较好掌握。
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关于适配器模式，今天我们主要学习它的两种实现方式，类适配器和对象适配器，以及5种常见的应用场景。同时，我还会通过剖析slf4j日志框架，来给你展示这个模式在真实项目中的应用。除此之外，在文章的最后，我还对代理、桥接、装饰器、适配器，这4种代码结构非常相似的设计模式做简单的对比，对这几节内容做一个简单的总结。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 适配器模式的原理与实现
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**适配器模式**的英文翻译是**Adapter Design Pattern**。顾名思义，这个模式就是用来做适配的，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。对于这个模式，有一个经常被拿来解释它的例子，就是USB转接头充当适配器，把两种不兼容的接口，通过转接变得可以一起工作。
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原理很简单，我们再来看下它的代码实现。适配器模式有两种实现方式：类适配器和对象适配器。其中，类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。具体的代码实现如下所示。其中，ITarget表示要转化成的接口定义。Adaptee是一组不兼容ITarget接口定义的接口，Adaptor将Adaptee转化成一组符合ITarget接口定义的接口。
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```
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// 类适配器: 基于继承
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public interface ITarget {
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void f1();
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void f2();
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void fc();
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}
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public class Adaptee {
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public void fa() { //... }
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public void fb() { //... }
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public void fc() { //... }
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}
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public class Adaptor extends Adaptee implements ITarget {
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public void f1() {
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super.fa();
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}
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public void f2() {
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//...重新实现f2()...
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}
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// 这里fc()不需要实现，直接继承自Adaptee，这是跟对象适配器最大的不同点
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}
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// 对象适配器：基于组合
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public interface ITarget {
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void f1();
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void f2();
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void fc();
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}
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public class Adaptee {
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public void fa() { //... }
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public void fb() { //... }
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public void fc() { //... }
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}
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public class Adaptor implements ITarget {
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private Adaptee adaptee;
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public Adaptor(Adaptee adaptee) {
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this.adaptee = adaptee;
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}
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public void f1() {
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adaptee.fa(); //委托给Adaptee
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}
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public void f2() {
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||||
//...重新实现f2()...
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}
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public void fc() {
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adaptee.fc();
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}
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}
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```
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针对这两种实现方式，在实际的开发中，到底该如何选择使用哪一种呢？判断的标准主要有两个，一个是Adaptee接口的个数，另一个是Adaptee和ITarget的契合程度。
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- 如果Adaptee接口并不多，那两种实现方式都可以。
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- 如果Adaptee接口很多，而且Adaptee和ITarget接口定义大部分都相同，那我们推荐使用类适配器，因为Adaptor复用父类Adaptee的接口，比起对象适配器的实现方式，Adaptor的代码量要少一些。
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- 如果Adaptee接口很多，而且Adaptee和ITarget接口定义大部分都不相同，那我们推荐使用对象适配器，因为组合结构相对于继承更加灵活。
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## 适配器模式应用场景总结
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原理和实现讲完了，都不复杂。我们再来看，到底什么时候会用到适配器模式呢？
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一般来说，适配器模式可以看作一种“补偿模式”，用来补救设计上的缺陷。应用这种模式算是“无奈之举”。如果在设计初期，我们就能协调规避接口不兼容的问题，那这种模式就没有应用的机会了。
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前面我们反复提到，适配器模式的应用场景是“接口不兼容”。那在实际的开发中，什么情况下才会出现接口不兼容呢？我建议你先自己思考一下这个问题，然后再来看我下面的总结 。
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### 1.封装有缺陷的接口设计
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假设我们依赖的外部系统在接口设计方面有缺陷（比如包含大量静态方法），引入之后会影响到我们自身代码的可测试性。为了隔离设计上的缺陷，我们希望对外部系统提供的接口进行二次封装，抽象出更好的接口设计，这个时候就可以使用适配器模式了。
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具体我还是举个例子来解释一下，你直接看代码应该会更清晰。具体代码如下所示：
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```
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public class CD { //这个类来自外部sdk，我们无权修改它的代码
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//...
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public static void staticFunction1() { //... }
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public void uglyNamingFunction2() { //... }
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public void tooManyParamsFunction3(int paramA, int paramB, ...) { //... }
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public void lowPerformanceFunction4() { //... }
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}
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// 使用适配器模式进行重构
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public class ITarget {
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void function1();
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void function2();
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void fucntion3(ParamsWrapperDefinition paramsWrapper);
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void function4();
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//...
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}
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// 注意：适配器类的命名不一定非得末尾带Adaptor
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public class CDAdaptor extends CD implements ITarget {
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//...
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public void function1() {
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||||
super.staticFunction1();
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}
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public void function2() {
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super.uglyNamingFucntion2();
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}
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public void function3(ParamsWrapperDefinition paramsWrapper) {
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super.tooManyParamsFunction3(paramsWrapper.getParamA(), ...);
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}
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public void function4() {
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//...reimplement it...
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}
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}
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```
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### 2.统一多个类的接口设计
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某个功能的实现依赖多个外部系统（或者说类）。通过适配器模式，将它们的接口适配为统一的接口定义，然后我们就可以使用多态的特性来复用代码逻辑。具体我还是举个例子来解释一下。
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假设我们的系统要对用户输入的文本内容做敏感词过滤，为了提高过滤的召回率，我们引入了多款第三方敏感词过滤系统，依次对用户输入的内容进行过滤，过滤掉尽可能多的敏感词。但是，每个系统提供的过滤接口都是不同的。这就意味着我们没法复用一套逻辑来调用各个系统。这个时候，我们就可以使用适配器模式，将所有系统的接口适配为统一的接口定义，这样我们可以复用调用敏感词过滤的代码。
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你可以配合着下面的代码示例，来理解我刚才举的这个例子。
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```
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public class ASensitiveWordsFilter { // A敏感词过滤系统提供的接口
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//text是原始文本，函数输出用***替换敏感词之后的文本
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public String filterSexyWords(String text) {
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||||
// ...
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||||
}
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public String filterPoliticalWords(String text) {
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||||
// ...
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||||
}
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}
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public class BSensitiveWordsFilter { // B敏感词过滤系统提供的接口
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public String filter(String text) {
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||||
//...
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}
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}
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public class CSensitiveWordsFilter { // C敏感词过滤系统提供的接口
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public String filter(String text, String mask) {
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||||
//...
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}
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}
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// 未使用适配器模式之前的代码：代码的可测试性、扩展性不好
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public class RiskManagement {
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private ASensitiveWordsFilter aFilter = new ASensitiveWordsFilter();
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private BSensitiveWordsFilter bFilter = new BSensitiveWordsFilter();
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private CSensitiveWordsFilter cFilter = new CSensitiveWordsFilter();
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public String filterSensitiveWords(String text) {
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||||
String maskedText = aFilter.filterSexyWords(text);
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||||
maskedText = aFilter.filterPoliticalWords(maskedText);
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maskedText = bFilter.filter(maskedText);
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maskedText = cFilter.filter(maskedText, "***");
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return maskedText;
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}
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}
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// 使用适配器模式进行改造
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public interface ISensitiveWordsFilter { // 统一接口定义
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String filter(String text);
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}
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public class ASensitiveWordsFilterAdaptor implements ISensitiveWordsFilter {
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||||
private ASensitiveWordsFilter aFilter;
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public String filter(String text) {
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String maskedText = aFilter.filterSexyWords(text);
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||||
maskedText = aFilter.filterPoliticalWords(maskedText);
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return maskedText;
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}
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}
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//...省略BSensitiveWordsFilterAdaptor、CSensitiveWordsFilterAdaptor...
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// 扩展性更好，更加符合开闭原则，如果添加一个新的敏感词过滤系统，
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// 这个类完全不需要改动；而且基于接口而非实现编程，代码的可测试性更好。
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public class RiskManagement {
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private List<ISensitiveWordsFilter> filters = new ArrayList<>();
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||||
public void addSensitiveWordsFilter(ISensitiveWordsFilter filter) {
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||||
filters.add(filter);
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}
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public String filterSensitiveWords(String text) {
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String maskedText = text;
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for (ISensitiveWordsFilter filter : filters) {
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||||
maskedText = filter.filter(maskedText);
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||||
}
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||||
return maskedText;
|
||||
}
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}
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```
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### 3.替换依赖的外部系统
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当我们把项目中依赖的一个外部系统替换为另一个外部系统的时候，利用适配器模式，可以减少对代码的改动。具体的代码示例如下所示：
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```
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// 外部系统A
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public interface IA {
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//...
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void fa();
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}
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public class A implements IA {
|
||||
//...
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||||
public void fa() { //... }
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||||
}
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// 在我们的项目中，外部系统A的使用示例
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public class Demo {
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private IA a;
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public Demo(IA a) {
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||||
this.a = a;
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||||
}
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||||
//...
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||||
}
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||||
Demo d = new Demo(new A());
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// 将外部系统A替换成外部系统B
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public class BAdaptor implemnts IA {
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||||
private B b;
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||||
public BAdaptor(B b) {
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||||
this.b= b;
|
||||
}
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public void fa() {
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||||
//...
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||||
b.fb();
|
||||
}
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}
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// 借助BAdaptor，Demo的代码中，调用IA接口的地方都无需改动，
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// 只需要将BAdaptor如下注入到Demo即可。
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Demo d = new Demo(new BAdaptor(new B()));
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```
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### 4.兼容老版本接口
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在做版本升级的时候，对于一些要废弃的接口，我们不直接将其删除，而是暂时保留，并且标注为deprecated，并将内部实现逻辑委托为新的接口实现。这样做的好处是，让使用它的项目有个过渡期，而不是强制进行代码修改。这也可以粗略地看作适配器模式的一个应用场景。同样，我还是通过一个例子，来进一步解释一下。
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JDK1.0中包含一个遍历集合容器的类Enumeration。JDK2.0对这个类进行了重构，将它改名为Iterator类，并且对它的代码实现做了优化。但是考虑到如果将Enumeration直接从JDK2.0中删除，那使用JDK1.0的项目如果切换到JDK2.0，代码就会编译不通过。为了避免这种情况的发生，我们必须把项目中所有使用到Enumeration的地方，都修改为使用Iterator才行。
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单独一个项目做Enumeration到Iterator的替换，勉强还能接受。但是，使用Java开发的项目太多了，一次JDK的升级，导致所有的项目不做代码修改就会编译报错，这显然是不合理的。这就是我们经常所说的不兼容升级。为了做到兼容使用低版本JDK的老代码，我们可以暂时保留Enumeration类，并将其实现替换为直接调用Itertor。代码示例如下所示：
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```
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public class Collections {
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public static Emueration emumeration(final Collection c) {
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return new Enumeration() {
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Iterator i = c.iterator();
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public boolean hasMoreElments() {
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return i.hashNext();
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}
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public Object nextElement() {
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return i.next():
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}
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}
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}
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}
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```
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### 5.适配不同格式的数据
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前面我们讲到，适配器模式主要用于接口的适配，实际上，它还可以用在不同格式的数据之间的适配。比如，把从不同征信系统拉取的不同格式的征信数据，统一为相同的格式，以方便存储和使用。再比如，Java中的Arrays.asList()也可以看作一种数据适配器，将数组类型的数据转化为集合容器类型。
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```
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List<String> stooges = Arrays.asList("Larry", "Moe", "Curly");
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```
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## 剖析适配器模式在Java日志中的应用
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Java中有很多日志框架，在项目开发中，我们常常用它们来打印日志信息。其中，比较常用的有log4j、logback，以及JDK提供的JUL(java.util.logging)和Apache的JCL(Jakarta Commons Logging)等。
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大部分日志框架都提供了相似的功能，比如按照不同级别（debug、info、warn、erro……）打印日志等，但它们却并没有实现统一的接口。这主要可能是历史的原因，它不像JDBC那样，一开始就制定了数据库操作的接口规范。
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如果我们只是开发一个自己用的项目，那用什么日志框架都可以，log4j、logback随便选一个就好。但是，如果我们开发的是一个集成到其他系统的组件、框架、类库等，那日志框架的选择就没那么随意了。
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比如，项目中用到的某个组件使用log4j来打印日志，而我们项目本身使用的是logback。将组件引入到项目之后，我们的项目就相当于有了两套日志打印框架。每种日志框架都有自己特有的配置方式。所以，我们要针对每种日志框架编写不同的配置文件（比如，日志存储的文件地址、打印日志的格式）。如果引入多个组件，每个组件使用的日志框架都不一样，那日志本身的管理工作就变得非常复杂。所以，为了解决这个问题，我们需要统一日志打印框架。
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如果你是做Java开发的，那Slf4j这个日志框架你肯定不陌生，它相当于JDBC规范，提供了一套打印日志的统一接口规范。不过，它只定义了接口，并没有提供具体的实现，需要配合其他日志框架（log4j、logback……）来使用。
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不仅如此，Slf4j的出现晚于JUL、JCL、log4j等日志框架，所以，这些日志框架也不可能牺牲掉版本兼容性，将接口改造成符合Slf4j接口规范。Slf4j也事先考虑到了这个问题，所以，它不仅仅提供了统一的接口定义，还提供了针对不同日志框架的适配器。对不同日志框架的接口进行二次封装，适配成统一的Slf4j接口定义。具体的代码示例如下所示：
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```
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// slf4j统一的接口定义
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package org.slf4j;
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public interface Logger {
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public boolean isTraceEnabled();
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public void trace(String msg);
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public void trace(String format, Object arg);
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public void trace(String format, Object arg1, Object arg2);
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public void trace(String format, Object[] argArray);
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public void trace(String msg, Throwable t);
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public boolean isDebugEnabled();
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public void debug(String msg);
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public void debug(String format, Object arg);
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public void debug(String format, Object arg1, Object arg2)
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public void debug(String format, Object[] argArray)
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public void debug(String msg, Throwable t);
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//...省略info、warn、error等一堆接口
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}
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// log4j日志框架的适配器
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// Log4jLoggerAdapter实现了LocationAwareLogger接口，
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// 其中LocationAwareLogger继承自Logger接口，
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// 也就相当于Log4jLoggerAdapter实现了Logger接口。
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package org.slf4j.impl;
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public final class Log4jLoggerAdapter extends MarkerIgnoringBase
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implements LocationAwareLogger, Serializable {
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final transient org.apache.log4j.Logger logger; // log4j
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public boolean isDebugEnabled() {
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||||
return logger.isDebugEnabled();
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}
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public void debug(String msg) {
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logger.log(FQCN, Level.DEBUG, msg, null);
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}
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public void debug(String format, Object arg) {
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||||
if (logger.isDebugEnabled()) {
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FormattingTuple ft = MessageFormatter.format(format, arg);
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||||
logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
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||||
}
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||||
}
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||||
public void debug(String format, Object arg1, Object arg2) {
|
||||
if (logger.isDebugEnabled()) {
|
||||
FormattingTuple ft = MessageFormatter.format(format, arg1, arg2);
|
||||
logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
|
||||
}
|
||||
}
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||||
public void debug(String format, Object[] argArray) {
|
||||
if (logger.isDebugEnabled()) {
|
||||
FormattingTuple ft = MessageFormatter.arrayFormat(format, argArray);
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||||
logger.log(FQCN, Level.DEBUG, ft.getMessage(), ft.getThrowable());
|
||||
}
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||||
}
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||||
public void debug(String msg, Throwable t) {
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||||
logger.log(FQCN, Level.DEBUG, msg, t);
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}
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||||
//...省略一堆接口的实现...
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||||
}
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```
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所以，在开发业务系统或者开发框架、组件的时候，我们统一使用Slf4j提供的接口来编写打印日志的代码，具体使用哪种日志框架实现（log4j、logback……），是可以动态地指定的（使用Java的SPI技术，这里我不多解释，你自行研究吧），只需要将相应的SDK导入到项目中即可。
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不过，你可能会说，如果一些老的项目没有使用Slf4j，而是直接使用比如JCL来打印日志，那如果想要替换成其他日志框架，比如log4j，该怎么办呢？实际上，Slf4j不仅仅提供了从其他日志框架到Slf4j的适配器，还提供了反向适配器，也就是从Slf4j到其他日志框架的适配。我们可以先将JCL切换为Slf4j，然后再将Slf4j切换为log4j。经过两次适配器的转换，我们就能成功将log4j切换为了logback。
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## 代理、桥接、装饰器、适配器4种设计模式的区别
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代理、桥接、装饰器、适配器，这4种模式是比较常用的结构型设计模式。它们的代码结构非常相似。笼统来说，它们都可以称为Wrapper模式，也就是通过Wrapper类二次封装原始类。
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尽管代码结构相似，但这4种设计模式的用意完全不同，也就是说要解决的问题、应用场景不同，这也是它们的主要区别。这里我就简单说一下它们之间的区别。
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**代理模式：**代理模式在不改变原始类接口的条件下，为原始类定义一个代理类，主要目的是控制访问，而非加强功能，这是它跟装饰器模式最大的不同。
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**桥接模式：**桥接模式的目的是将接口部分和实现部分分离，从而让它们可以较为容易、也相对独立地加以改变。
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**装饰器模式：**装饰者模式在不改变原始类接口的情况下，对原始类功能进行增强，并且支持多个装饰器的嵌套使用。
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**适配器模式：**适配器模式是一种事后的补救策略。适配器提供跟原始类不同的接口，而代理模式、装饰器模式提供的都是跟原始类相同的接口。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。让我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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适配器模式是用来做适配，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。适配器模式有两种实现方式：类适配器和对象适配器。其中，类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。
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一般来说，适配器模式可以看作一种“补偿模式”，用来补救设计上的缺陷。应用这种模式算是“无奈之举”，如果在设计初期，我们就能协调规避接口不兼容的问题，那这种模式就没有应用的机会了。
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那在实际的开发中，什么情况下才会出现接口不兼容呢？我总结下了下面这样5种场景：
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- 封装有缺陷的接口设计
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- 统一多个类的接口设计
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- 替换依赖的外部系统
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- 兼容老版本接口
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- 适配不同格式的数据
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## 课堂讨论
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今天我们讲到，适配器有两种实现方式：类适配器、对象适配器。那我们之前讲到的代理模式、装饰器模式，是否也同样可以有两种实现方式（类代理模式、对象代理模式，以及类装饰器模式、对象装饰器模式）呢？
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欢迎留言和我分享你的思考，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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@@ -0,0 +1,80 @@
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<audio id="audio" title="52 | 门面模式：如何设计合理的接口粒度以兼顾接口的易用性和通用性？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/92/ec/92671aee257dbb948d8d7087085b6fec.mp3"></audio>
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前面我们已经学习了代理模式、桥接模式、装饰器模式、适配器模式，这4种结构型设计模式。今天，我们再来学习一种新的结构型模式：门面模式。门面模式原理和实现都特别简单，应用场景也比较明确，主要在接口设计方面使用。
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如果你平时的工作涉及接口开发，不知道你有没有遇到关于接口粒度的问题呢？
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为了保证接口的可复用性（或者叫通用性），我们需要将接口尽量设计得细粒度一点，职责单一一点。但是，如果接口的粒度过小，在接口的使用者开发一个业务功能时，就会导致需要调用n多细粒度的接口才能完成。调用者肯定会抱怨接口不好用。
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相反，如果接口粒度设计得太大，一个接口返回n多数据，要做n多事情，就会导致接口不够通用、可复用性不好。接口不可复用，那针对不同的调用者的业务需求，我们就需要开发不同的接口来满足，这就会导致系统的接口无限膨胀。
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那如何来解决接口的可复用性（通用性）和易用性之间的矛盾呢？通过今天对于门面模式的学习，我想你心中会有答案。话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 门面模式的原理与实现
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门面模式，也叫外观模式，英文全称是Facade Design Pattern。在GoF的《设计模式》一书中，门面模式是这样定义的：
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Provide a unified interface to a set of interfaces in a subsystem. Facade Pattern defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.
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翻译成中文就是：门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。
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这个定义很简洁，我再进一步解释一下。
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假设有一个系统A，提供了a、b、c、d四个接口。系统B完成某个业务功能，需要调用A系统的a、b、d接口。利用门面模式，我们提供一个包裹a、b、d接口调用的门面接口x，给系统B直接使用。
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不知道你会不会有这样的疑问，让系统B直接调用a、b、d感觉没有太大问题呀，为什么还要提供一个包裹a、b、d的接口x呢？关于这个问题，我通过一个具体的例子来解释一下。
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假设我们刚刚提到的系统A是一个后端服务器，系统B是App客户端。App客户端通过后端服务器提供的接口来获取数据。我们知道，App和服务器之间是通过移动网络通信的，网络通信耗时比较多，为了提高App的响应速度，我们要尽量减少App与服务器之间的网络通信次数。
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假设，完成某个业务功能（比如显示某个页面信息）需要“依次”调用a、b、d三个接口，因自身业务的特点，不支持并发调用这三个接口。
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如果我们现在发现App客户端的响应速度比较慢，排查之后发现，是因为过多的接口调用过多的网络通信。针对这种情况，我们就可以利用门面模式，让后端服务器提供一个包裹a、b、d三个接口调用的接口x。App客户端调用一次接口x，来获取到所有想要的数据，将网络通信的次数从3次减少到1次，也就提高了App的响应速度。
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这里举的例子只是应用门面模式的其中一个意图，也就是解决性能问题。实际上，不同的应用场景下，使用门面模式的意图也不同。接下来，我们就来看一下门面模式的各种应用场景。
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## 门面模式的应用场景举例
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在GoF给出的定义中提到，“门面模式让子系统更加易用”，实际上，它除了解决易用性问题之外，还能解决其他很多方面的问题。关于这一点，我总结罗列了3个常用的应用场景，你可以参考一下，举一反三地借鉴到自己的项目中。
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除此之外，我还要强调一下，门面模式定义中的“子系统（subsystem）”也可以有多种理解方式。它既可以是一个完整的系统，也可以是更细粒度的类或者模块。关于这一点，在下面的讲解中也会有体现。
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### 1.解决易用性问题
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门面模式可以用来封装系统的底层实现，隐藏系统的复杂性，提供一组更加简单易用、更高层的接口。比如，Linux系统调用函数就可以看作一种“门面”。它是Linux操作系统暴露给开发者的一组“特殊”的编程接口，它封装了底层更基础的Linux内核调用。再比如，Linux的Shell命令，实际上也可以看作一种门面模式的应用。它继续封装系统调用，提供更加友好、简单的命令，让我们可以直接通过执行命令来跟操作系统交互。
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我们前面也多次讲过，设计原则、思想、模式很多都是相通的，是同一个道理不同角度的表述。实际上，从隐藏实现复杂性，提供更易用接口这个意图来看，门面模式有点类似之前讲到的迪米特法则（最少知识原则）和接口隔离原则：两个有交互的系统，只暴露有限的必要的接口。除此之外，门面模式还有点类似之前提到封装、抽象的设计思想，提供更抽象的接口，封装底层实现细节。
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### 2.解决性能问题
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关于利用门面模式解决性能问题这一点，刚刚我们已经讲过了。我们通过将多个接口调用替换为一个门面接口调用，减少网络通信成本，提高App客户端的响应速度。所以，关于这点，我就不再举例说明了。我们来讨论一下这样一个问题：从代码实现的角度来看，该如何组织门面接口和非门面接口？
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如果门面接口不多，我们完全可以将它跟非门面接口放到一块，也不需要特殊标记，当作普通接口来用即可。如果门面接口很多，我们可以在已有的接口之上，再重新抽象出一层，专门放置门面接口，从类、包的命名上跟原来的接口层做区分。如果门面接口特别多，并且很多都是跨多个子系统的，我们可以将门面接口放到一个新的子系统中。
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### 3.解决分布式事务问题
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关于利用门面模式来解决分布式事务问题，我们通过一个例子来解释一下。
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在一个金融系统中，有两个业务领域模型，用户和钱包。这两个业务领域模型都对外暴露了一系列接口，比如用户的增删改查接口、钱包的增删改查接口。假设有这样一个业务场景：在用户注册的时候，我们不仅会创建用户（在数据库User表中），还会给用户创建一个钱包（在数据库的Wallet表中）。
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对于这样一个简单的业务需求，我们可以通过依次调用用户的创建接口和钱包的创建接口来完成。但是，用户注册需要支持事务，也就是说，创建用户和钱包的两个操作，要么都成功，要么都失败，不能一个成功、一个失败。
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要支持两个接口调用在一个事务中执行，是比较难实现的，这涉及分布式事务问题。虽然我们可以通过引入分布式事务框架或者事后补偿的机制来解决，但代码实现都比较复杂。而最简单的解决方案是，利用数据库事务或者Spring框架提供的事务（如果是Java语言的话），在一个事务中，执行创建用户和创建钱包这两个SQL操作。这就要求两个SQL操作要在一个接口中完成，所以，我们可以借鉴门面模式的思想，再设计一个包裹这两个操作的新接口，让新接口在一个事务中执行两个SQL操作。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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我们知道，类、模块、系统之间的“通信”，一般都是通过接口调用来完成的。接口设计的好坏，直接影响到类、模块、系统是否好用。所以，我们要多花点心思在接口设计上。我经常说，**完成接口设计，就相当于完成了一半的开发任务。只要接口设计得好，那代码就差不到哪里去。**
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接口粒度设计得太大，太小都不好。太大会导致接口不可复用，太小会导致接口不易用。在实际的开发中，接口的可复用性和易用性需要“微妙”的权衡。针对这个问题，我的一个基本的处理原则是，**尽量保持接口的可复用性，但针对特殊情况，允许提供冗余的门面接口，来提供更易用的接口**。
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门面模式除了解决接口易用性问题之外，我们今天还讲到了其他2个应用场景，用它来解决性能问题和分布式事务问题。
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## 课堂讨论
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1. 适配器模式和门面模式的共同点是，将不好用的接口适配成好用的接口。你可以试着总结一下它们的区别吗？
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1. 在你过往的项目开发中，有没有遇到过不合理的接口需求？又或者，有没有遇到过非常难用的接口？可以留言“吐槽”一下。
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欢迎留言和我分享，如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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343
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/53 | 组合模式：如何设计实现支持递归遍历的文件系统目录树结构？.md
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343
极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/53 | 组合模式：如何设计实现支持递归遍历的文件系统目录树结构？.md
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<audio id="audio" title="53 | 组合模式：如何设计实现支持递归遍历的文件系统目录树结构？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/b3/fe/b337355b2a4c41b4a35a477acd369dfe.mp3"></audio>
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结构型设计模式就快要讲完了，还剩下两个不那么常用的：组合模式和享元模式。今天，我们来讲一下**组合模式**（Composite Design Pattern）。
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组合模式跟我们之前讲的面向对象设计中的“组合关系（通过组合来组装两个类）”，完全是两码事。这里讲的“组合模式”，主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”，你可以简单理解为一组对象集合，待会我们会详细讲解。
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正因为其应用场景的特殊性，数据必须能表示成树形结构，这也导致了这种模式在实际的项目开发中并不那么常用。但是，一旦数据满足树形结构，应用这种模式就能发挥很大的作用，能让代码变得非常简洁。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 组合模式的原理与实现
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在GoF的《设计模式》一书中，组合模式是这样定义的：
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>
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Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.
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翻译成中文就是：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分-整体”的层次结构。组合让客户端（在很多设计模式书籍中，“客户端”代指代码的使用者。）可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。
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||||
接下来，对于组合模式，我举个例子来给你解释一下。
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假设我们有这样一个需求：设计一个类来表示文件系统中的目录，能方便地实现下面这些功能：
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- 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件；
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||||
- 统计指定目录下的文件个数；
|
||||
- 统计指定目录下的文件总大小。
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|
||||
我这里给出了这个类的骨架代码，如下所示。其中的核心逻辑并未实现，你可以试着自己去补充完整，再来看我的讲解。在下面的代码实现中，我们把文件和目录统一用FileSystemNode类来表示，并且通过isFile属性来区分。
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||||
|
||||
```
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||||
public class FileSystemNode {
|
||||
private String path;
|
||||
private boolean isFile;
|
||||
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
|
||||
|
||||
public FileSystemNode(String path, boolean isFile) {
|
||||
this.path = path;
|
||||
this.isFile = isFile;
|
||||
}
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||||
|
||||
public int countNumOfFiles() {
|
||||
// TODO:...
|
||||
}
|
||||
|
||||
public long countSizeOfFiles() {
|
||||
// TODO:...
|
||||
}
|
||||
|
||||
public String getPath() {
|
||||
return path;
|
||||
}
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||||
|
||||
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
|
||||
subNodes.add(fileOrDir);
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
|
||||
int size = subNodes.size();
|
||||
int i = 0;
|
||||
for (; i < size; ++i) {
|
||||
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
if (i < size) {
|
||||
subNodes.remove(i);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
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||||
|
||||
实际上，如果你看过我的《数据结构与算法之美》专栏，想要补全其中的countNumOfFiles()和countSizeOfFiles()这两个函数，并不是件难事，实际上这就是树上的递归遍历算法。对于文件，我们直接返回文件的个数（返回1）或大小。对于目录，我们遍历目录中每个子目录或者文件，递归计算它们的个数或大小，然后求和，就是这个目录下的文件个数和文件大小。
|
||||
|
||||
我把两个函数的代码实现贴在下面了，你可以对照着看一下。
|
||||
|
||||
```
|
||||
public int countNumOfFiles() {
|
||||
if (isFile) {
|
||||
return 1;
|
||||
}
|
||||
int numOfFiles = 0;
|
||||
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
|
||||
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
|
||||
}
|
||||
return numOfFiles;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public long countSizeOfFiles() {
|
||||
if (isFile) {
|
||||
File file = new File(path);
|
||||
if (!file.exists()) return 0;
|
||||
return file.length();
|
||||
}
|
||||
long sizeofFiles = 0;
|
||||
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
|
||||
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
|
||||
}
|
||||
return sizeofFiles;
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
|
||||
|
||||
单纯从功能实现角度来说，上面的代码没有问题，已经实现了我们想要的功能。但是，如果我们开发的是一个大型系统，从扩展性（文件或目录可能会对应不同的操作）、业务建模（文件和目录从业务上是两个概念）、代码的可读性（文件和目录区分对待更加符合人们对业务的认知）的角度来说，我们最好对文件和目录进行区分设计，定义为File和Directory两个类。
|
||||
|
||||
按照这个设计思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
|
||||
|
||||
```
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||||
public abstract class FileSystemNode {
|
||||
protected String path;
|
||||
|
||||
public FileSystemNode(String path) {
|
||||
this.path = path;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public abstract int countNumOfFiles();
|
||||
public abstract long countSizeOfFiles();
|
||||
|
||||
public String getPath() {
|
||||
return path;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
public class File extends FileSystemNode {
|
||||
public File(String path) {
|
||||
super(path);
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public int countNumOfFiles() {
|
||||
return 1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public long countSizeOfFiles() {
|
||||
java.io.File file = new java.io.File(path);
|
||||
if (!file.exists()) return 0;
|
||||
return file.length();
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
public class Directory extends FileSystemNode {
|
||||
private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();
|
||||
|
||||
public Directory(String path) {
|
||||
super(path);
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public int countNumOfFiles() {
|
||||
int numOfFiles = 0;
|
||||
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
|
||||
numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();
|
||||
}
|
||||
return numOfFiles;
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public long countSizeOfFiles() {
|
||||
long sizeofFiles = 0;
|
||||
for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {
|
||||
sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();
|
||||
}
|
||||
return sizeofFiles;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
|
||||
subNodes.add(fileOrDir);
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {
|
||||
int size = subNodes.size();
|
||||
int i = 0;
|
||||
for (; i < size; ++i) {
|
||||
if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
if (i < size) {
|
||||
subNodes.remove(i);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
|
||||
|
||||
文件和目录类都设计好了，我们来看，如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。具体的代码示例如下所示：
|
||||
|
||||
```
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||||
public class Demo {
|
||||
public static void main(String[] args) {
|
||||
/**
|
||||
* /
|
||||
* /wz/
|
||||
* /wz/a.txt
|
||||
* /wz/b.txt
|
||||
* /wz/movies/
|
||||
* /wz/movies/c.avi
|
||||
* /xzg/
|
||||
* /xzg/docs/
|
||||
* /xzg/docs/d.txt
|
||||
*/
|
||||
Directory fileSystemTree = new Directory("/");
|
||||
Directory node_wz = new Directory("/wz/");
|
||||
Directory node_xzg = new Directory("/xzg/");
|
||||
fileSystemTree.addSubNode(node_wz);
|
||||
fileSystemTree.addSubNode(node_xzg);
|
||||
|
||||
File node_wz_a = new File("/wz/a.txt");
|
||||
File node_wz_b = new File("/wz/b.txt");
|
||||
Directory node_wz_movies = new Directory("/wz/movies/");
|
||||
node_wz.addSubNode(node_wz_a);
|
||||
node_wz.addSubNode(node_wz_b);
|
||||
node_wz.addSubNode(node_wz_movies);
|
||||
|
||||
File node_wz_movies_c = new File("/wz/movies/c.avi");
|
||||
node_wz_movies.addSubNode(node_wz_movies_c);
|
||||
|
||||
Directory node_xzg_docs = new Directory("/xzg/docs/");
|
||||
node_xzg.addSubNode(node_xzg_docs);
|
||||
|
||||
File node_xzg_docs_d = new File("/xzg/docs/d.txt");
|
||||
node_xzg_docs.addSubNode(node_xzg_docs_d);
|
||||
|
||||
System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles());
|
||||
System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles());
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
|
||||
|
||||
我们对照着这个例子，再重新看一下组合模式的定义：“将一组对象（文件和目录）组织成树形结构，以表示一种‘部分-整体’的层次结构（目录与子目录的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（文件）和组合对象（目录）的处理逻辑（递归遍历）。”
|
||||
|
||||
实际上，刚才讲的这种组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
|
||||
|
||||
## 组合模式的应用场景举例
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||||
|
||||
刚刚我们讲了文件系统的例子，对于组合模式，我这里再举一个例子。搞懂了这两个例子，你基本上就算掌握了组合模式。在实际的项目中，遇到类似的可以表示成树形结构的业务场景，你只要“照葫芦画瓢”去设计就可以了。
|
||||
|
||||
假设我们在开发一个OA系统（办公自动化系统）。公司的组织结构包含部门和员工两种数据类型。其中，部门又可以包含子部门和员工。在数据库中的表结构如下所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/5b/8b/5b19dc0c296f728328794eab1f16a38b.jpg" alt="">
|
||||
|
||||
我们希望在内存中构建整个公司的人员架构图（部门、子部门、员工的隶属关系），并且提供接口计算出部门的薪资成本（隶属于这个部门的所有员工的薪资和）。
|
||||
|
||||
部门包含子部门和员工，这是一种嵌套结构，可以表示成树这种数据结构。计算每个部门的薪资开支这样一个需求，也可以通过在树上的遍历算法来实现。所以，从这个角度来看，这个应用场景可以使用组合模式来设计和实现。
|
||||
|
||||
这个例子的代码结构跟上一个例子的很相似，代码实现我直接贴在了下面，你可以对比着看一下。其中，HumanResource是部门类（Department）和员工类（Employee）抽象出来的父类，为的是能统一薪资的处理逻辑。Demo中的代码负责从数据库中读取数据并在内存中构建组织架构图。
|
||||
|
||||
```
|
||||
public abstract class HumanResource {
|
||||
protected long id;
|
||||
protected double salary;
|
||||
|
||||
public HumanResource(long id) {
|
||||
this.id = id;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public long getId() {
|
||||
return id;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public abstract double calculateSalary();
|
||||
}
|
||||
|
||||
public class Employee extends HumanResource {
|
||||
public Employee(long id, double salary) {
|
||||
super(id);
|
||||
this.salary = salary;
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public double calculateSalary() {
|
||||
return salary;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
public class Department extends HumanResource {
|
||||
private List<HumanResource> subNodes = new ArrayList<>();
|
||||
|
||||
public Department(long id) {
|
||||
super(id);
|
||||
}
|
||||
|
||||
@Override
|
||||
public double calculateSalary() {
|
||||
double totalSalary = 0;
|
||||
for (HumanResource hr : subNodes) {
|
||||
totalSalary += hr.calculateSalary();
|
||||
}
|
||||
this.salary = totalSalary;
|
||||
return totalSalary;
|
||||
}
|
||||
|
||||
public void addSubNode(HumanResource hr) {
|
||||
subNodes.add(hr);
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
// 构建组织架构的代码
|
||||
public class Demo {
|
||||
private static final long ORGANIZATION_ROOT_ID = 1001;
|
||||
private DepartmentRepo departmentRepo; // 依赖注入
|
||||
private EmployeeRepo employeeRepo; // 依赖注入
|
||||
|
||||
public void buildOrganization() {
|
||||
Department rootDepartment = new Department(ORGANIZATION_ROOT_ID);
|
||||
buildOrganization(rootDepartment);
|
||||
}
|
||||
|
||||
private void buildOrganization(Department department) {
|
||||
List<Long> subDepartmentIds = departmentRepo.getSubDepartmentIds(department.getId());
|
||||
for (Long subDepartmentId : subDepartmentIds) {
|
||||
Department subDepartment = new Department(subDepartmentId);
|
||||
department.addSubNode(subDepartment);
|
||||
buildOrganization(subDepartment);
|
||||
}
|
||||
List<Long> employeeIds = employeeRepo.getDepartmentEmployeeIds(department.getId());
|
||||
for (Long employeeId : employeeIds) {
|
||||
double salary = employeeRepo.getEmployeeSalary(employeeId);
|
||||
department.addSubNode(new Employee(employeeId, salary));
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
```
|
||||
|
||||
我们再拿组合模式的定义跟这个例子对照一下：“将一组对象（员工和部门）组织成树形结构，以表示一种‘部分-整体’的层次结构（部门与子部门的嵌套结构）。组合模式让客户端可以统一单个对象（员工）和组合对象（部门）的处理逻辑（递归遍历）。”
|
||||
|
||||
## 重点回顾
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||||
好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。
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||||
组合模式，将一组对象组织成树形结构，将单个对象和组合对象都看做树中的节点，以统一处理逻辑，并且它利用树形结构的特点，递归地处理每个子树，依次简化代码实现。使用组合模式的前提在于，你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以，组合模式的应用场景也比较局限，它并不是一种很常用的设计模式。
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## 课堂讨论
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在文件系统那个例子中，countNumOfFiles()和countSizeOfFiles()这两个函数实现的效率并不高，因为每次调用它们的时候，都要重新遍历一遍子树。有没有什么办法可以提高这两个函数的执行效率呢（注意：文件系统还会涉及频繁的删除、添加文件操作，也就是对应Directory类中的addSubNode()和removeSubNode()函数）？
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欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/54 | 享元模式（上）：如何利用享元模式优化文本编辑器的内存占用？.md
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极客时间专栏/设计模式之美/设计模式与范式：结构型/54 | 享元模式（上）：如何利用享元模式优化文本编辑器的内存占用？.md
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<audio id="audio" title="54 | 享元模式（上）：如何利用享元模式优化文本编辑器的内存占用？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/35/68/35f47cc3ddc2134caefb978d60ef8a68.mp3"></audio>
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上一节课中，我们讲了组合模式。组合模式并不常用，主要用在数据能表示成树形结构、能通过树的遍历算法来解决的场景中。今天，我们再来学习一个不那么常用的模式，**享元模式**（Flyweight Design Pattern）。这也是我们要学习的最后一个结构型模式。
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跟其他所有的设计模式类似，享元模式的原理和实现也非常简单。今天，我会通过棋牌游戏和文本编辑器两个实际的例子来讲解。除此之外，我还会讲到它跟单例、缓存、对象池的区别和联系。在下一节课中，我会带你剖析一下享元模式在Java Integer、String中的应用。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 享元模式原理与实现
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所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。
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具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。
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这里我稍微解释一下，定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何set()等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。
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接下来，我们通过一个简单的例子解释一下享元模式。
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假设我们在开发一个棋牌游戏（比如象棋）。一个游戏厅中有成千上万个“房间”，每个房间对应一个棋局。棋局要保存每个棋子的数据，比如：棋子类型（将、相、士、炮等）、棋子颜色（红方、黑方）、棋子在棋局中的位置。利用这些数据，我们就能显示一个完整的棋盘给玩家。具体的代码如下所示。其中，ChessPiece类表示棋子，ChessBoard类表示一个棋局，里面保存了象棋中30个棋子的信息。
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public class ChessPiece {//棋子
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private int id;
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private String text;
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private Color color;
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private int positionX;
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private int positionY;
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public ChessPiece(int id, String text, Color color, int positionX, int positionY) {
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this.id = id;
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this.text = text;
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this.color = color;
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this.positionX = positionX;
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this.positionY = positionX;
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}
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public static enum Color {
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RED, BLACK
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}
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// ...省略其他属性和getter/setter方法...
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}
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public class ChessBoard {//棋局
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private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
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public ChessBoard() {
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init();
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}
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private void init() {
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chessPieces.put(1, new ChessPiece(1, "車", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 0));
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chessPieces.put(2, new ChessPiece(2,"馬", ChessPiece.Color.BLACK, 0, 1));
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//...省略摆放其他棋子的代码...
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}
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public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
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//...省略...
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}
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}
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```
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为了记录每个房间当前的棋局情况，我们需要给每个房间都创建一个ChessBoard棋局对象。因为游戏大厅中有成千上万的房间（实际上，百万人同时在线的游戏大厅也有很多），那保存这么多棋局对象就会消耗大量的内存。有没有什么办法来节省内存呢？
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这个时候，享元模式就可以派上用场了。像刚刚的实现方式，在内存中会有大量的相似对象。这些相似对象的id、text、color都是相同的，唯独positionX、positionY不同。实际上，我们可以将棋子的id、text、color属性拆分出来，设计成独立的类，并且作为享元供多个棋盘复用。这样，棋盘只需要记录每个棋子的位置信息就可以了。具体的代码实现如下所示：
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```
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// 享元类
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public class ChessPieceUnit {
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private int id;
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private String text;
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private Color color;
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public ChessPieceUnit(int id, String text, Color color) {
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this.id = id;
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this.text = text;
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this.color = color;
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}
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public static enum Color {
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RED, BLACK
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}
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// ...省略其他属性和getter方法...
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}
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public class ChessPieceUnitFactory {
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private static final Map<Integer, ChessPieceUnit> pieces = new HashMap<>();
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static {
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pieces.put(1, new ChessPieceUnit(1, "車", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
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||||
pieces.put(2, new ChessPieceUnit(2,"馬", ChessPieceUnit.Color.BLACK));
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//...省略摆放其他棋子的代码...
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}
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public static ChessPieceUnit getChessPiece(int chessPieceId) {
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return pieces.get(chessPieceId);
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}
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}
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public class ChessPiece {
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private ChessPieceUnit chessPieceUnit;
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private int positionX;
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private int positionY;
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public ChessPiece(ChessPieceUnit unit, int positionX, int positionY) {
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this.chessPieceUnit = unit;
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this.positionX = positionX;
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this.positionY = positionY;
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}
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// 省略getter、setter方法
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}
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public class ChessBoard {
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private Map<Integer, ChessPiece> chessPieces = new HashMap<>();
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public ChessBoard() {
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init();
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}
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private void init() {
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chessPieces.put(1, new ChessPiece(
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ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(1), 0,0));
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chessPieces.put(1, new ChessPiece(
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||||
ChessPieceUnitFactory.getChessPiece(2), 1,0));
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||||
//...省略摆放其他棋子的代码...
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}
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public void move(int chessPieceId, int toPositionX, int toPositionY) {
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||||
//...省略...
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}
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}
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```
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在上面的代码实现中，我们利用工厂类来缓存ChessPieceUnit信息（也就是id、text、color）。通过工厂类获取到的ChessPieceUnit就是享元。所有的ChessBoard对象共享这30个ChessPieceUnit对象（因为象棋中只有30个棋子）。在使用享元模式之前，记录1万个棋局，我们要创建30万（30*1万）个棋子的ChessPieceUnit对象。利用享元模式，我们只需要创建30个享元对象供所有棋局共享使用即可，大大节省了内存。
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那享元模式的原理讲完了，我们来总结一下它的代码结构。实际上，它的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个Map来缓存已经创建过的享元对象，来达到复用的目的。
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## 享元模式在文本编辑器中的应用
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弄懂了享元模式的原理和实现之后，我们再来看另外一个例子，也就是文章标题中给出的：如何利用享元模式来优化文本编辑器的内存占用？
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你可以把这里提到的文本编辑器想象成Office的Word。不过，为了简化需求背景，我们假设这个文本编辑器只实现了文字编辑功能，不包含图片、表格等复杂的编辑功能。对于简化之后的文本编辑器，我们要在内存中表示一个文本文件，只需要记录文字和格式两部分信息就可以了，其中，格式又包括文字的字体、大小、颜色等信息。
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尽管在实际的文档编写中，我们一般都是按照文本类型（标题、正文……）来设置文字的格式，标题是一种格式，正文是另一种格式等等。但是，从理论上讲，我们可以给文本文件中的每个文字都设置不同的格式。为了实现如此灵活的格式设置，并且代码实现又不过于太复杂，我们把每个文字都当作一个独立的对象来看待，并且在其中包含它的格式信息。具体的代码示例如下所示：
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public class Character {//文字
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private char c;
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private Font font;
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private int size;
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private int colorRGB;
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public Character(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
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this.c = c;
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this.font = font;
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this.size = size;
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this.colorRGB = colorRGB;
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}
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}
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public class Editor {
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private List<Character> chars = new ArrayList<>();
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public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
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Character character = new Character(c, font, size, colorRGB);
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chars.add(character);
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}
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}
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在文本编辑器中，我们每敲一个文字，都会调用Editor类中的appendCharacter()方法，创建一个新的Character对象，保存到chars数组中。如果一个文本文件中，有上万、十几万、几十万的文字，那我们就要在内存中存储这么多Character对象。那有没有办法可以节省一点内存呢？
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实际上，在一个文本文件中，用到的字体格式不会太多，毕竟不大可能有人把每个文字都设置成不同的格式。所以，对于字体格式，我们可以将它设计成享元，让不同的文字共享使用。按照这个设计思路，我们对上面的代码进行重构。重构后的代码如下所示：
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public class CharacterStyle {
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private Font font;
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private int size;
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private int colorRGB;
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public CharacterStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
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this.font = font;
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this.size = size;
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this.colorRGB = colorRGB;
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}
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@Override
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public boolean equals(Object o) {
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CharacterStyle otherStyle = (CharacterStyle) o;
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return font.equals(otherStyle.font)
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&& size == otherStyle.size
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&& colorRGB == otherStyle.colorRGB;
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}
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}
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public class CharacterStyleFactory {
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private static final List<CharacterStyle> styles = new ArrayList<>();
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public static CharacterStyle getStyle(Font font, int size, int colorRGB) {
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CharacterStyle newStyle = new CharacterStyle(font, size, colorRGB);
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for (CharacterStyle style : styles) {
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if (style.equals(newStyle)) {
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return style;
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}
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}
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styles.add(newStyle);
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return newStyle;
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}
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}
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public class Character {
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private char c;
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private CharacterStyle style;
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public Character(char c, CharacterStyle style) {
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this.c = c;
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this.style = style;
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}
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}
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public class Editor {
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private List<Character> chars = new ArrayList<>();
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public void appendCharacter(char c, Font font, int size, int colorRGB) {
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Character character = new Character(c, CharacterStyleFactory.getStyle(font, size, colorRGB));
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chars.add(character);
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}
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}
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```
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## 享元模式vs单例、缓存、对象池
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在上面的讲解中，我们多次提到“共享”“缓存”“复用”这些字眼，那它跟单例、缓存、对象池这些概念有什么区别呢？我们来简单对比一下。
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**我们先来看享元模式跟单例的区别。**
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在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。
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我们前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为了限制对象的个数。
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**我们再来看享元模式跟缓存的区别。**
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在享元模式的实现中，我们通过工厂类来“缓存”已经创建好的对象。这里的“缓存”实际上是“存储”的意思，跟我们平时所说的“数据库缓存”“CPU缓存”“MemCache缓存”是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。
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**最后我们来看享元模式跟对象池的区别。**
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对象池、连接池（比如数据库连接池）、线程池等也是为了复用，那它们跟享元模式有什么区别呢？
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你可能对连接池、线程池比较熟悉，对对象池比较陌生，所以，这里我简单解释一下对象池。像C++这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地进行对象创建和释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的内存空间，也就是这里说的对象池。每次创建对象时，我们从对象池中直接取出一个空闲对象来使用，对象使用完成之后，再放回到对象池中以供后续复用，而非直接释放掉。
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虽然对象池、连接池、线程池、享元模式都是为了复用，但是，如果我们再细致地抠一抠“复用”这个字眼的话，对象池、连接池、线程池等池化技术中的“复用”和享元模式中的“复用”实际上是不同的概念。
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池化技术中的“复用”可以理解为“重复使用”，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。享元模式中的“复用”可以理解为“共享使用”，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们来一块总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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**1.享元模式的原理**
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所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。具体来讲，当一个系统中存在大量重复对象的时候，我们就可以利用享元模式，将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用，这样可以减少内存中对象的数量，以起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段），提取出来设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。
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**2.享元模式的实现**
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享元模式的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个Map或者List来缓存已经创建好的享元对象，以达到复用的目的。
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**3.享元模式VS单例、缓存、对象池**
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我们前面也多次提到，区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。这里的区别也不例外。
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我们可以用简单几句话来概括一下它们之间的区别。应用单例模式是为了保证对象全局唯一。应用享元模式是为了实现对象复用，节省内存。缓存是为了提高访问效率，而非复用。池化技术中的“复用”理解为“重复使用”，主要是为了节省时间。
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## 课堂讨论
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1. 在棋牌游戏的例子中，有没有必要把ChessPiecePosition设计成享元呢？
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1. 在文本编辑器的例子中，调用CharacterStyleFactory类的getStyle()方法，需要在styles数组中遍历查找，而遍历查找比较耗时，是否可以优化一下呢？
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欢迎留言和我分享你的想法。如果有收获，也欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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<audio id="audio" title="55 | 享元模式（下）：剖析享元模式在Java Integer、String中的应用" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/b7/5f/b7f23a7b022cc2e647e3a8b0d6b9575f.mp3"></audio>
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上一节课，我们通过棋牌游戏和文本编辑器这样两个实际的例子，学习了享元模式的原理、实现以及应用场景。用一句话总结一下，享元模式中的“享元”指被共享的单元。享元模式通过复用对象，以达到节省内存的目的。
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今天，我再用一节课的时间带你剖析一下，享元模式在Java Integer、String中的应用。如果你不熟悉Java编程语言，那也不用担心看不懂，因为今天的内容主要还是介绍设计思路，跟语言本身关系不大。
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话不多说，让我们正式开始今天的学习吧！
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## 享元模式在Java Integer中的应用
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我们先来看下面这样一段代码。你可以先思考下，这段代码会输出什么样的结果。
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```
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Integer i1 = 56;
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Integer i2 = 56;
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Integer i3 = 129;
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Integer i4 = 129;
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System.out.println(i1 == i2);
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System.out.println(i3 == i4);
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```
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如果不熟悉Java语言，你可能会觉得，i1和i2值都是56，i3和i4值都是129，i1跟i2值相等，i3跟i4值相等，所以输出结果应该是两个true。这样的分析是不对的，主要还是因为你对Java语法不熟悉。要正确地分析上面的代码，我们需要弄清楚下面两个问题：
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- 如何判定两个Java对象是否相等（也就代码中的“==”操作符的含义）？
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- 什么是自动装箱（Autoboxing）和自动拆箱（Unboxing）？
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在[加餐一](https://time.geekbang.org/column/article/166698)中，我们讲到，Java为基本数据类型提供了对应的包装器类型。具体如下所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/5f/a0/5f93c0412c9ee8b563383c3583693ba0.jpg" alt="">
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所谓的自动装箱，就是自动将基本数据类型转换为包装器类型。所谓的自动拆箱，也就是自动将包装器类型转化为基本数据类型。具体的代码示例如下所示：
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```
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Integer i = 56; //自动装箱
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int j = i; //自动拆箱
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```
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数值56是基本数据类型int，当赋值给包装器类型（Integer）变量的时候，触发自动装箱操作，创建一个Integer类型的对象，并且赋值给变量i。其底层相当于执行了下面这条语句：
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```
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Integer i = 59；底层执行了：Integer i = Integer.valueOf(59);
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```
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反过来，当把包装器类型的变量i，赋值给基本数据类型变量j的时候，触发自动拆箱操作，将i中的数据取出，赋值给j。其底层相当于执行了下面这条语句：
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```
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int j = i; 底层执行了：int j = i.intValue();
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```
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弄清楚了自动装箱和自动拆箱，我们再来看，如何判定两个对象是否相等？不过，在此之前，我们先要搞清楚，Java对象在内存中是如何存储的。我们通过下面这个例子来说明一下。
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```
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User a = new User(123, 23); // id=123, age=23
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```
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针对这条语句，我画了一张内存存储结构图，如下所示。a存储的值是User对象的内存地址，在图中就表现为a指向User对象。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/04/dc/04f879d7d72b96965f4e06a21ff13bdc.jpg" alt="">
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当我们通过“==”来判定两个对象是否相等的时候，实际上是在判断两个局部变量存储的地址是否相同，换句话说，是在判断两个局部变量是否指向相同的对象。
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了解了Java的这几个语法之后，我们重新看一下开头的那段代码。
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```
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Integer i1 = 56;
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Integer i2 = 56;
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Integer i3 = 129;
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Integer i4 = 129;
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System.out.println(i1 == i2);
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System.out.println(i3 == i4);
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```
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前4行赋值语句都会触发自动装箱操作，也就是会创建Integer对象并且赋值给i1、i2、i3、i4这四个变量。根据刚刚的讲解，i1、i2尽管存储的数值相同，都是56，但是指向不同的Integer对象，所以通过“==”来判定是否相同的时候，会返回false。同理，i3==i4判定语句也会返回false。
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不过，上面的分析还是不对，答案并非是两个false，而是一个true，一个false。看到这里，你可能会比较纳闷了。实际上，这正是因为Integer用到了享元模式来复用对象，才导致了这样的运行结果。当我们通过自动装箱，也就是调用valueOf()来创建Integer对象的时候，如果要创建的Integer对象的值在-128到127之间，会从IntegerCache类中直接返回，否则才调用new方法创建。看代码更加清晰一些，Integer类的valueOf()函数的具体代码如下所示：
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```
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public static Integer valueOf(int i) {
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if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
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return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
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||||
return new Integer(i);
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}
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```
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||||
实际上，这里的IntegerCache相当于，我们上一节课中讲的生成享元对象的工厂类，只不过名字不叫xxxFactory而已。我们来看它的具体代码实现。这个类是Integer的内部类，你也可以自行查看JDK源码。
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```
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/**
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||||
* Cache to support the object identity semantics of autoboxing for values between
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||||
* -128 and 127 (inclusive) as required by JLS.
|
||||
*
|
||||
* The cache is initialized on first usage. The size of the cache
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* may be controlled by the {@code -XX:AutoBoxCacheMax=<size>} option.
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* During VM initialization, java.lang.Integer.IntegerCache.high property
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* may be set and saved in the private system properties in the
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* sun.misc.VM class.
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*/
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private static class IntegerCache {
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static final int low = -128;
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static final int high;
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static final Integer cache[];
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static {
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// high value may be configured by property
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int h = 127;
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String integerCacheHighPropValue =
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sun.misc.VM.getSavedProperty("java.lang.Integer.IntegerCache.high");
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if (integerCacheHighPropValue != null) {
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try {
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int i = parseInt(integerCacheHighPropValue);
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i = Math.max(i, 127);
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// Maximum array size is Integer.MAX_VALUE
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h = Math.min(i, Integer.MAX_VALUE - (-low) -1);
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} catch( NumberFormatException nfe) {
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// If the property cannot be parsed into an int, ignore it.
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}
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}
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high = h;
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cache = new Integer[(high - low) + 1];
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int j = low;
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for(int k = 0; k < cache.length; k++)
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cache[k] = new Integer(j++);
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// range [-128, 127] must be interned (JLS7 5.1.7)
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assert IntegerCache.high >= 127;
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}
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private IntegerCache() {}
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}
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```
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为什么IntegerCache只缓存-128到127之间的整型值呢？
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在IntegerCache的代码实现中，当这个类被加载的时候，缓存的享元对象会被集中一次性创建好。毕竟整型值太多了，我们不可能在IntegerCache类中预先创建好所有的整型值，这样既占用太多内存，也使得加载IntegerCache类的时间过长。所以，我们只能选择缓存对于大部分应用来说最常用的整型值，也就是一个字节的大小（-128到127之间的数据）。
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实际上，JDK也提供了方法来让我们可以自定义缓存的最大值，有下面两种方式。如果你通过分析应用的JVM内存占用情况，发现-128到255之间的数据占用的内存比较多，你就可以用如下方式，将缓存的最大值从127调整到255。不过，这里注意一下，JDK并没有提供设置最小值的方法。
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```
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//方法一：
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-Djava.lang.Integer.IntegerCache.high=255
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//方法二：
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-XX:AutoBoxCacheMax=255
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```
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现在，让我们再回到最开始的问题，因为56处于-128和127之间，i1和i2会指向相同的享元对象，所以i1==i2返回true。而129大于127，并不会被缓存，每次都会创建一个全新的对象，也就是说，i3和i4指向不同的Integer对象，所以i3==i4返回false。
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实际上，除了Integer类型之外，其他包装器类型，比如Long、Short、Byte等，也都利用了享元模式来缓存-128到127之间的数据。比如，Long类型对应的LongCache享元工厂类及valueOf()函数代码如下所示：
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```
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private static class LongCache {
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private LongCache(){}
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static final Long cache[] = new Long[-(-128) + 127 + 1];
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static {
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for(int i = 0; i < cache.length; i++)
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cache[i] = new Long(i - 128);
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}
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}
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public static Long valueOf(long l) {
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final int offset = 128;
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if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
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return LongCache.cache[(int)l + offset];
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}
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return new Long(l);
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}
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```
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在我们平时的开发中，对于下面这样三种创建整型对象的方式，我们优先使用后两种。
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```
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Integer a = new Integer(123);
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Integer a = 123;
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Integer a = Integer.valueOf(123);
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```
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第一种创建方式并不会使用到IntegerCache，而后面两种创建方法可以利用IntegerCache缓存，返回共享的对象，以达到节省内存的目的。举一个极端一点的例子，假设程序需要创建1万个-128到127之间的Integer对象。使用第一种创建方式，我们需要分配1万个Integer对象的内存空间；使用后两种创建方式，我们最多只需要分配256个Integer对象的内存空间。
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## 享元模式在Java String中的应用
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刚刚我们讲了享元模式在Java Integer类中的应用，现在，我们再来看下，享元模式在Java String类中的应用。同样，我们还是先来看一段代码，你觉得这段代码输出的结果是什么呢？
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```
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String s1 = "小争哥";
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String s2 = "小争哥";
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String s3 = new String("小争哥");
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System.out.println(s1 == s2);
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System.out.println(s1 == s3);
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上面代码的运行结果是：一个true，一个false。跟Integer类的设计思路相似，String类利用享元模式来复用相同的字符串常量（也就是代码中的“小争哥”）。JVM会专门开辟一块存储区来存储字符串常量，这块存储区叫作“字符串常量池”。上面代码对应的内存存储结构如下所示：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/2d/2d/2dfc18575c22efccca191c566b24a22d.jpg" alt="">
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不过，String类的享元模式的设计，跟Integer类稍微有些不同。Integer类中要共享的对象，是在类加载的时候，就集中一次性创建好的。但是，对于字符串来说，我们没法事先知道要共享哪些字符串常量，所以没办法事先创建好，只能在某个字符串常量第一次被用到的时候，存储到常量池中，当之后再用到的时候，直接引用常量池中已经存在的即可，就不需要再重新创建了。
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## 重点回顾
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好了，今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下，你需要重点掌握的内容。
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在Java Integer的实现中，-128到127之间的整型对象会被事先创建好，缓存在IntegerCache类中。当我们使用自动装箱或者valueOf()来创建这个数值区间的整型对象时，会复用IntegerCache类事先创建好的对象。这里的IntegerCache类就是享元工厂类，事先创建好的整型对象就是享元对象。
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在Java String类的实现中，JVM开辟一块存储区专门存储字符串常量，这块存储区叫作字符串常量池，类似于Integer中的IntegerCache。不过，跟IntegerCache不同的是，它并非事先创建好需要共享的对象，而是在程序的运行期间，根据需要来创建和缓存字符串常量。
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除此之外，这里我再补充强调一下。
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实际上，享元模式对JVM的垃圾回收并不友好。因为享元工厂类一直保存了对享元对象的引用，这就导致享元对象在没有任何代码使用的情况下，也并不会被JVM垃圾回收机制自动回收掉。因此，在某些情况下，如果对象的生命周期很短，也不会被密集使用，利用享元模式反倒可能会浪费更多的内存。所以，除非经过线上验证，利用享元模式真的可以大大节省内存，否则，就不要过度使用这个模式，为了一点点内存的节省而引入一个复杂的设计模式，得不偿失啊。
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## 课堂讨论
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IntegerCache只能缓存事先指定好的整型对象，那我们是否可以借鉴String的设计思路，不事先指定需要缓存哪些整型对象，而是在程序的运行过程中，当用到某个整型对象的时候，创建好放置到IntegerCache，下次再被用到的时候，直接从IntegerCache中返回呢？
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如果可以这么做，请你按照这个思路重新实现一下IntegerCache类，并且能够做到在某个对象没有任何代码使用的时候，能被JVM垃圾回收机制回收掉。
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欢迎留言和我分享你的想法，如果有收获，欢迎你把这篇文章分享给你的朋友。
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