上一节课,我们通过Google Guava这样一个优秀的开源类库,讲解了如何在业务开发中,发现跟业务无关、可以复用的通用功能模块,并将它们从业务代码中抽离出来,设计开发成独立的类库、框架或功能组件。

今天,我们再来学习一下,Google Guava中用到的几种经典设计模式:Builder模式、Wrapper模式,以及之前没讲过的Immutable模式。

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

Builder模式在Guava中的应用

在项目开发中,我们经常用到缓存。它可以非常有效地提高访问速度。

常用的缓存系统有Redis、Memcache等。但是,如果要缓存的数据比较少,我们完全没必要在项目中独立部署一套缓存系统。毕竟系统都有一定出错的概率,项目中包含的系统越多,那组合起来,项目整体出错的概率就会升高,可用性就会降低。同时,多引入一个系统就要多维护一个系统,项目维护的成本就会变高。

取而代之,我们可以在系统内部构建一个内存缓存,跟系统集成在一起开发、部署。那如何构建内存缓存呢?我们可以基于JDK提供的类,比如HashMap,从零开始开发内存缓存。不过,从零开发一个内存缓存,涉及的工作就会比较多,比如缓存淘汰策略等。为了简化开发,我们就可以使用Google Guava提供的现成的缓存工具类com.google.common.cache.*。

使用Google Guava来构建内存缓存非常简单,我写了一个例子贴在了下面,你可以看下。

public class CacheDemo {
  public static void main(String[] args) {
    Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
            .initialCapacity(100)
            .maximumSize(1000)
            .expireAfterWrite(10, TimeUnit.MINUTES)
            .build();

    cache.put("key1", "value1");
    String value = cache.getIfPresent("key1");
    System.out.println(value);
  }
}

从上面的代码中,我们可以发现,Cache对象是通过CacheBuilder这样一个Builder类来创建的。为什么要由Builder类来创建Cache对象呢?我想这个问题应该对你来说没难度了吧。

你可以先想一想,然后再来看我的回答。构建一个缓存,需要配置n多参数,比如过期时间、淘汰策略、最大缓存大小等等。相应地,Cache类就会包含n多成员变量。我们需要在构造函数中,设置这些成员变量的值,但又不是所有的值都必须设置,设置哪些值由用户来决定。为了满足这个需求,我们就需要定义多个包含不同参数列表的构造函数。

为了避免构造函数的参数列表过长、不同的构造函数过多,我们一般有两种解决方案。其中,一个解决方案是使用Builder模式;另一个方案是先通过无参构造函数创建对象,然后再通过setXXX()方法来逐一设置需要的设置的成员变量。

那我再问你一个问题,为什么Guava选择第一种而不是第二种解决方案呢?使用第二种解决方案是否也可以呢?答案是不行的。至于为什么,我们看下源码就清楚了。我把CacheBuilder类中的build()函数摘抄到了下面,你可以先看下。

public <K1 extends K, V1 extends V> Cache<K1, V1> build() {
  this.checkWeightWithWeigher();
  this.checkNonLoadingCache();
  return new LocalManualCache(this);
}

private void checkNonLoadingCache() {
  Preconditions.checkState(this.refreshNanos == -1L, "refreshAfterWrite requires a LoadingCache");
}

private void checkWeightWithWeigher() {
  if (this.weigher == null) {
    Preconditions.checkState(this.maximumWeight == -1L, "maximumWeight requires weigher");
  } else if (this.strictParsing) {
    Preconditions.checkState(this.maximumWeight != -1L, "weigher requires maximumWeight");
  } else if (this.maximumWeight == -1L) {
    logger.log(Level.WARNING, "ignoring weigher specified without maximumWeight");
  }

}

看了代码,你是否有了答案呢?实际上,答案我们在讲Builder模式的时候已经讲过了。现在,我们再结合CacheBuilder的源码重新说下。

必须使用Builder模式的主要原因是,在真正构造Cache对象的时候,我们必须做一些必要的参数校验,也就是build()函数中前两行代码要做的工作。如果采用无参默认构造函数加setXXX()方法的方案,这两个校验就无处安放了。而不经过校验,创建的Cache对象有可能是不合法、不可用的。

Wrapper模式在Guava中的应用

在Google Guava的collection包路径下,有一组以Forwarding开头命名的类。我截了这些类中的一部分贴到了下面,你可以看下。

这组Forwarding类很多,但实现方式都很相似。我摘抄了其中的ForwardingCollection中的部分代码到这里,你可以下先看下代码,然后思考下这组Forwarding类是干什么用的。

@GwtCompatible
public abstract class ForwardingCollection<E> extends ForwardingObject implements Collection<E> {
  protected ForwardingCollection() {
  }

  protected abstract Collection<E> delegate();

  public Iterator<E> iterator() {
    return this.delegate().iterator();
  }

  public int size() {
    return this.delegate().size();
  }

  @CanIgnoreReturnValue
  public boolean removeAll(Collection<?> collection) {
    return this.delegate().removeAll(collection);
  }

  public boolean isEmpty() {
    return this.delegate().isEmpty();
  }

  public boolean contains(Object object) {
    return this.delegate().contains(object);
  }

  @CanIgnoreReturnValue
  public boolean add(E element) {
    return this.delegate().add(element);
  }

  @CanIgnoreReturnValue
  public boolean remove(Object object) {
    return this.delegate().remove(object);
  }

  public boolean containsAll(Collection<?> collection) {
    return this.delegate().containsAll(collection);
  }

  @CanIgnoreReturnValue
  public boolean addAll(Collection<? extends E> collection) {
    return this.delegate().addAll(collection);
  }

  @CanIgnoreReturnValue
  public boolean retainAll(Collection<?> collection) {
    return this.delegate().retainAll(collection);
  }

  public void clear() {
    this.delegate().clear();
  }

  public Object[] toArray() {
    return this.delegate().toArray();
  }
  
  //...省略部分代码...
}

光看ForwardingCollection的代码实现,你可能想不到它的作用。我再给点提示,举一个它的用法示例,如下所示:

public class AddLoggingCollection<E> extends ForwardingCollection<E> {
  private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AddLoggingCollection.class);
  private Collection<E> originalCollection;

  public AddLoggingCollection(Collection<E> originalCollection) {
    this.originalCollection = originalCollection;
  }

  @Override
  protected Collection delegate() {
    return this.originalCollection;
  }

  @Override
  public boolean add(E element) {
    logger.info("Add element: " + element);
    return this.delegate().add(element);
  }

  @Override
  public boolean addAll(Collection<? extends E> collection) {
    logger.info("Size of elements to add: " + collection.size());
    return this.delegate().addAll(collection);
  }

}

结合源码和示例,我想你应该知道这组Forwarding类的作用了吧?

在上面的代码中,AddLoggingCollection是基于代理模式实现的一个代理类,它在原始Collection类的基础之上,针对“add”相关的操作,添加了记录日志的功能。

我们前面讲到,代理模式、装饰器、适配器模式可以统称为Wrapper模式,通过Wrapper类二次封装原始类。它们的代码实现也很相似,都可以通过组合的方式,将Wrapper类的函数实现委托给原始类的函数来实现。

public interface Interf {
  void f1();
  void f2();
}
public class OriginalClass implements Interf {
  @Override
  public void f1() { //... }
  @Override
  public void f2() { //... }
}

public class WrapperClass implements Interf {
  private OriginalClass oc;
  public WrapperClass(OriginalClass oc) {
    this.oc = oc;
  }
  @Override
  public void f1() {
    //...附加功能...
    this.oc.f1();
    //...附加功能...
  }
  @Override
  public void f2() {
    this.oc.f2();
  }
}

实际上,这个ForwardingCollection类是一个“默认Wrapper类”或者叫“缺省Wrapper类”。这类似于在装饰器模式那一节课中,讲到的FilterInputStream缺省装饰器类。你可以再重新看下第50讲装饰器模式的相关内容。

如果我们不使用这个ForwardinCollection类,而是让AddLoggingCollection代理类直接实现Collection接口,那Collection接口中的所有方法,都要在AddLoggingCollection类中实现一遍,而真正需要添加日志功能的只有add()和addAll()两个函数,其他函数的实现,都只是类似Wrapper类中f2()函数的实现那样,简单地委托给原始collection类对象的对应函数。

为了简化Wrapper模式的代码实现,Guava提供一系列缺省的Forwarding类。用户在实现自己的Wrapper类的时候,基于缺省的Forwarding类来扩展,就可以只实现自己关心的方法,其他不关心的方法使用缺省Forwarding类的实现,就像AddLoggingCollection类的实现那样。

Immutable模式在Guava中的应用

Immutable模式,中文叫作不变模式,它并不属于经典的23种设计模式,但作为一种较常用的设计思路,可以总结为一种设计模式来学习。之前在理论部分,我们只稍微提到过Immutable模式,但没有独立的拿出来详细讲解,我们这里借Google Guava再补充讲解一下。

一个对象的状态在对象创建之后就不再改变,这就是所谓的不变模式。其中涉及的类就是不变类(Immutable Class),对象就是不变对象(Immutable Object)。在Java中,最常用的不变类就是String类,String对象一旦创建之后就无法改变。

不变模式可以分为两类,一类是普通不变模式,另一类是深度不变模式(Deeply Immutable Pattern)。普通的不变模式指的是,对象中包含的引用对象是可以改变的。如果不特别说明,通常我们所说的不变模式,指的就是普通的不变模式。深度不变模式指的是,对象包含的引用对象也不可变。它们两个之间的关系,有点类似之前讲过的浅拷贝和深拷贝之间的关系。我举了一个例子来进一步解释一下,代码如下所示:

// 普通不变模式
public class User {
  private String name;
  private int age;
  private Address addr;
  
  public User(String name, int age, Address addr) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.addr = addr;
  }
  // 只有getter方法,无setter方法...
}

public class Address {
  private String province;
  private String city;
  public Address(String province, String city) {
    this.province = province;
    this.city= city;
  }
  // 有getter方法,也有setter方法...
}

// 深度不变模式
public class User {
  private String name;
  private int age;
  private Address addr;
  
  public User(String name, int age, Address addr) {
    this.name = name;
    this.age = age;
    this.addr = addr;
  }
  // 只有getter方法,无setter方法...
}

public class Address {
  private String province;
  private String city;
  public Address(String province, String city) {
    this.province = province;
    this.city= city;
  }
  // 只有getter方法,无setter方法..
}

在某个业务场景下,如果一个对象符合创建之后就不会被修改这个特性,那我们就可以把它设计成不变类。显式地强制它不可变,这样能避免意外被修改。那如何将一个类设置为不变类呢?其实方法很简单,只要这个类满足:所有的成员变量都通过构造函数一次性设置好,不暴露任何set等修改成员变量的方法。除此之外,因为数据不变,所以不存在并发读写问题,因此不变模式常用在多线程环境下,来避免线程加锁。所以,不变模式也常被归类为多线程设计模式。

接下来,我们来看一种特殊的不变类,那就是不变集合。Google Guava针对集合类(Collection、List、Set、Map…)提供了对应的不变集合类(ImmutableCollection、ImmutableList、ImmutableSet、ImmutableMap…)。刚刚我们讲过,不变模式分为两种,普通不变模式和深度不变模式。Google Guava提供的不变集合类属于前者,也就是说,集合中的对象不会增删,但是对象的成员变量(或叫属性值)是可以改变的。

实际上,Java JDK也提供了不变集合类(UnmodifiableCollection、UnmodifiableList、UnmodifiableSet、UnmodifiableMap…)。那它跟Google Guava提供的不变集合类的区别在哪里呢?我举个例子你就明白了,代码如下所示:

public class ImmutableDemo {
  public static void main(String[] args) {
    List<String> originalList = new ArrayList<>();
    originalList.add("a");
    originalList.add("b");
    originalList.add("c");

    List<String> jdkUnmodifiableList = Collections.unmodifiableList(originalList);
    List<String> guavaImmutableList = ImmutableList.copyOf(originalList);

    //jdkUnmodifiableList.add("d"); // 抛出UnsupportedOperationException
    // guavaImmutableList.add("d"); // 抛出UnsupportedOperationException
    originalList.add("d");

    print(originalList); // a b c d
    print(jdkUnmodifiableList); // a b c d
    print(guavaImmutableList); // a b c
  }

  private static void print(List<String> list) {
    for (String s : list) {
      System.out.print(s + " ");
    }
    System.out.println();
  }
}

重点回顾

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。

今天我们学习了Google Guava中都用到的几个设计模式:Builder模式、Wrapper模式、Immutable模式。还是那句话,内容本身不重要,你也不用死记硬背Google Guava的某某类用到了某某设计模式。实际上,我想通过这些源码的剖析,传达给你下面这些东西。

我们在阅读源码的时候,要问问自己,为什么它要这么设计?不这么设计行吗?还有更好的设计吗?实际上,很多人缺少这种“质疑”精神,特别是面对权威(经典书籍、著名源码、权威人士)的时候。

我觉得我本人是最不缺质疑精神的一个人,我喜欢挑战权威,喜欢以理服人。就好比在今天的讲解中,我把ForwardingCollection等类理解为缺省Wrapper类,可以用在装饰器、代理、适配器三种Wrapper模式中,简化代码编写。如果你去看Google Guava在GitHub上的Wiki,你会发现,它对ForwardingCollection类的理解跟我是不一样的。它把ForwardingCollection类单纯地理解为缺省的装饰器类,只用在装饰器模式中。我个人觉得我的理解更加好些,不知道你怎么认为呢?

除此之外,在专栏的最开始,我也讲到,学习设计模式能让你更好的阅读源码、理解源码。如果我们没有之前的理论学习,那对于很多源码的阅读,可能都只停留在走马观花的层面上,根本学习不到它的精髓。这就好比今天讲到的CacheBuilder。我想大部分人都知道它是利用了Builder模式,但如果对Builder模式没有深入的了解,很少人能讲清楚为什么要用Builder模式,不用构造函数加set方法的方式来实现。

课堂讨论

从最后一段代码中,我们可以发现,JDK不变集合和Google Guava不变集合都不可增删数据。但是,当原始集合增加数据之后,JDK不变集合的数据随之增加,而Google Guava的不变集合的数据并没有增加。这是两者最大的区别。那这两者底层分别是如何实现不变的呢?

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