談?wù)凧ava常用類庫中的設(shè)計模式 - Part Ⅰ

丹楓無跡 2021-07-18

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背景

最近一口氣看完了Joshua Bloch大神的Effective Java（下文簡稱EJ）。書中以tips的形式羅列了Java開發(fā)中的最佳實踐，每個tip都將其意圖和要點壓縮在了標(biāo)題里，這種做法我很喜歡：一來比較親切，比起難啃的系統(tǒng)書，EJ就像是一本Java的《俚語指南》；二來記憶起來十分方便，整本書過一遍就能望標(biāo)題生義。

在通讀這本書時，我發(fā)現(xiàn)作者多次列舉現(xiàn)有類庫中的實現(xiàn)的設(shè)計模式，我有意將其收集起來，這些實現(xiàn)相當(dāng)經(jīng)典，我覺得有必要落成一篇文章。隨著以后對類庫的理解越來越深，我也會持續(xù)追加上自己發(fā)現(xiàn)的Pattern。

概述

由于篇幅限制，本主題會做成一個系列，每個系列介紹3-4個模式。
本文介紹的設(shè)計模式（可跳轉(zhuǎn)）：

建造者
 工廠方法
 享元
 橋接

Here We Go

建造者（Builder）

定義：將一個復(fù)雜對象的構(gòu)建與它的表示分離，使得同樣的構(gòu)建過程可以創(chuàng)建不同的表示。

場景：創(chuàng)建復(fù)雜對象的算法獨立于該對象的組成部分以及它們的裝配方式時；對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜；對象內(nèi)部屬性相互依賴。

類型：創(chuàng)建型

建造者模式在Java中最廣泛的用途就是復(fù)雜對象創(chuàng)建。比起類構(gòu)造器或Getter/Setter，它同時保證了創(chuàng)建過程的可讀性（和屬性名一致的設(shè)參方法）和安全性（未創(chuàng)建完畢的對象不會逸出），同時它還有：參數(shù)可選、可在類繼承層次中復(fù)用、對集合類字段更加友好等等優(yōu)點。對于復(fù)雜的對象都可使用建造者模式，代價是一定的性能開銷與編寫工作量，好在后者可以用Lombok這樣的代碼生成插件來解決。

借助Lombok生成類的建造者：

import lombok.*;

@Data
@Builder
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor(access = AccessLevel.PRIVATE)
public class Foo {


    private String name;

  
    private Integer height;

   
    private Integer length;


     public static void main(String[] args) {
        Foo f = Foo.builder().name("SQUARE").height(10),length(10).build();
    }

}

除了使用建造者創(chuàng)建普通Java Bean之外，許多類庫中配置類對象也照葫蘆畫瓢。比如SpringBoot中對Swagger2的簡單配置，使其在生產(chǎn)環(huán)境下關(guān)閉。

@Configuration
public class SwaggerConfig {

    @Value("${spring.profiles.active}")
    private String prop;

    @Bean
    public Docket api() {
        return new Docket(DocumentationType.SWAGGER_2)
                .enable(!prop.contains("prod"))
                .select()
                .apis(RequestHandlerSelectors.any()).build();
    }

}

工廠方法（Factory Method）

定義：定義一個創(chuàng)建對象的接口，讓子類決定實例化哪一個類。工廠方法使一個類的實例化延遲到其子類。

場景：明確計劃不同條件下創(chuàng)建不同實例時。

類型：創(chuàng)建型

若要找工廠方法在JAVA原生類庫中最貼切的對照物，非 Supplier 莫屬。這個來自JAVA 8 Function包的函數(shù)式接口，將工廠方法模式的編寫成本降到極低。

package java.util.function;

/**
 * Represents a supplier of results.
 *
 * <p>There is no requirement that a new or distinct result be returned each
 * time the supplier is invoked.
 *
 * <p>This is a <a href="package-summary.html">functional interface</a>
 * whose functional method is {@link #get()}.
 *
 * @param <T> the type of results supplied by this supplier
 *
 * @since 1.8
 */
@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {

    /**
     * Gets a result.
     *
     * @return a result
     */
    T get();
}

如果將工廠類作為方法入?yún)?，將保證對象會在最迫切的時機才會創(chuàng)建：

public class StreamTest {

    public static void main(String[] args) {
        Stream.generate(()->{
            System.out.println("creating a new object.");
            return new Object();
        }).limit(3);
    }
    
}
==============================
輸出:

Stream.generate(Supplier<T> s)創(chuàng)建了一個流，并聲明了這個流的元素來源：一個由Lambda表達(dá)式編寫的工廠。編譯器將其推導(dǎo)為一個Supplier實例。在對象創(chuàng)建時將打印日志，然而結(jié)果表明沒有任何對象創(chuàng)建成功。因為在未聲明終結(jié)函數(shù)時，賦予Stream的任何中間函數(shù)都不會執(zhí)行。

使用工廠方法，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的時機將由消費者把握，這是一種懶漢思想。

再回到 Supplier<T> 的定義，它是一個泛型，按照EJ的建議，當(dāng)使用泛型作為方法入?yún)⒑头祷刂禃r，最好遵循 PECS 規(guī)則。

Producer-Extends Consumer-Super

Supplier通常是放在方法入?yún)⒌?strong>生產(chǎn)者，所以應(yīng)該這么聲明：

public void generate(Supplier<T extends Shape> supplier) {}

這樣Shape的所有子類工廠都能傳入到此方法中，增強其拓展性。對應(yīng)了工廠方法定義當(dāng)中 讓子類決定實例化哪一個類 的部分。

享元 (Flyweight)

定義：運用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對象。

場景：應(yīng)用使用大量對象，造成龐大的存儲開銷；對象中的大多數(shù)狀態(tài)可以移至外部，剩下的部分可以共享。

類型：結(jié)構(gòu)型

JDK類庫中使用了大量的靜態(tài)工廠（泛指創(chuàng)建對象的靜態(tài)類/靜態(tài)方法），這些靜態(tài)工廠有一個重要的作用：為重復(fù)的調(diào)用返回相同的對象。使類成為實例受控的類（instance-controlled），這實際上就是享元的思想。
舉個例子，下面是 Boolean.valueOf(boolean b) 的代碼片段。

    /**
     * The {@code Boolean} object corresponding to the primitive
     * value {@code true}.
     */
    public static final Boolean TRUE = new Boolean(true);

    /**
     * The {@code Boolean} object corresponding to the primitive
     * value {@code false}.
     */
    public static final Boolean FALSE = new Boolean(false);


    public static Boolean valueOf(boolean b) {
        return (b ? TRUE : FALSE);
    }

Boolean 作為布爾類型的包裝類，進(jìn)行了實例控制。因為布爾類型的值只有 True 和 False ，除此之外沒有其他狀態(tài)字段，所以類庫設(shè)計者選擇在類加載時初始化兩個不可變實例，在靜態(tài)工廠中不創(chuàng)建對象。
這也表明 Boolean.valueOf 返回的實例在執(zhí)行==和equals時結(jié)果一致。
其他包裝類型如Byte，Short，Integer也有類似的設(shè)計：使用名為XCache（X表示類型名）的私有內(nèi)部類中存儲值在 -128 ~ 127 之間共256個實例，并在靜態(tài)工廠中使用。在面試中經(jīng)常碰見的數(shù)值包裝類“==”問題，考點就在這里。

橋接（Bridge）

定義：將抽象部分與他的實現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨立地變化。

場景：實現(xiàn)系統(tǒng)可能有多個角度分類，每一種角度都可能變化；在構(gòu)件的抽象化和具體化之間增加更多的靈活性，避免兩個層次之間的靜態(tài)繼承關(guān)系；控制系統(tǒng)中繼承層次過多過深。

類型：結(jié)構(gòu)型

首先了解一個概念：服務(wù)提供者框架（Service Provider Framework）（下文簡稱SPF）。

服務(wù)提供者框架指這樣一個系統(tǒng)：多個服務(wù)提供者實現(xiàn)一個服務(wù)，系統(tǒng)為服務(wù)提供者的客戶端提供多個實現(xiàn)，并把它們從多個實現(xiàn)中解耦出來。
它由4種組件組成：

服務(wù)接口：需被實現(xiàn)的接口或抽象類
提供者注冊API：實現(xiàn)類用來注冊自己到SPF中的
服務(wù)訪問API：客戶端用來獲取實現(xiàn)的
服務(wù)提供者接口：實現(xiàn)類的工廠對象，用來創(chuàng)建實現(xiàn)類的實例，是可選的

SPF模式的應(yīng)用是如此廣泛，其實現(xiàn)的變體也有很多。如Java 6提供的標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)ServiceLoader，還有Spring、Guice這樣的依賴注入框架。但我選擇舉一個大家更為熟悉的例子：JDBC。

使用JDBC與數(shù)據(jù)庫交互是每個Java程序員的必經(jīng)之路，而它的設(shè)計實際上也是SPF模式：

服務(wù)接口 -> Connection
提供者注冊API：DriverManager.registerDriver
服務(wù)訪問API：DriverManager.getConnection
服務(wù)提供者接口：Driver

想要使用不同的數(shù)據(jù)庫連接實現(xiàn)，只需通過服務(wù)訪問API切換即可。這體現(xiàn)了橋接中將抽象與實現(xiàn)分離的精神。

（實際上如果加載多個數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，DriverManager會逐個嘗試連接，并返回連接成功的實例。并不能人為選擇提供者，但可以通過更改提供者注冊代碼來實現(xiàn)。）

Druid、Hikari等現(xiàn)代連接池的實現(xiàn)往往比JDBC定義的服務(wù)接口更加豐富，如監(jiān)控、插件鏈、SQL日志等等，這體現(xiàn)了橋接當(dāng)中的獨立變化。