编码素养问题收集1:基于名称映射的单例模式的并发控制

本文针对MemcachedClientFactory存在的问题进行分析,并提出了四种改进措施,包括优化createClient方法的可见性和线程安全性、完善getClient方法的并发控制机制、合理设置Factory构造方法以及明确职责分工。

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MemcachedClientFactory是一个容器,管理着从名称到MemcachedClient的映射关系,对外提供的服务是调用者给一个名字,就能返回这个名字对应的MemcachedClient,而且相同的名称,MemcachedClient是单例;不同的名称,是不同实例。


public class MemcachedClientFactory {
    private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(MemcachedClientFactory.class);

    private static Map<String, MemcachedClient> caches = new HashMap<String, MemcachedClient>();
    private static String configFile = "/memcached.properties";

    private MemcachedClientFactory() {
    }

    private static synchronized MemcachedClient createClient(final String name) throws Exception {
        final Properties prop = new Properties();
        prop.load(MemcachedClientFactory.class.getResourceAsStream(configFile));
        IMemcachedConfiguration config = new IMemcachedConfiguration() {
            @Override
            public String getName() {
                return name;
            }

            @Override
            public String getServers() {
                return prop.getProperty(name + ".servers");
            }

            @Override
            public int getConnectionPoolSize() {
                return Integer.parseInt(prop.getProperty(name + ".connectionpoolsize"));
            }
        };
        return createClient(config);
    }

    private static synchronized MemcachedClient createClient(IMemcachedConfiguration config) throws Exception {
        final String name = config.getName();
        final String servers = config.getServers();
        final int connectionPoolSize = config.getConnectionPoolSize();
        assert name != null;
        assert servers != null;
        assert connectionPoolSize <= 0 : 1;

        MemcachedClient client = caches.get(name);
        if (client == null) {
            MemcachedClientBuilder builder = new XMemcachedClientBuilder(AddrUtil.getAddresses(servers));
            builder.setConnectionPoolSize(connectionPoolSize);
            client = builder.build();
            caches.put(name, client);
            // LOG.info("create client name:{}, servers:{}, connectionpoolsize:{}",
            // new Object[]{name, servers, connectionPoolSize});
        }
        // LOG.info("return client name:{}", name);
        return client;
    }

    public static MemcachedClient getClient(String name) throws Exception {
        MemcachedClient client = caches.get(name);
        if (client == null || client.isShutdown()) {
            System.out.println("reconnect memcached");
            caches.remove(name);
            client = createClient(name);
        }
        return client;
    }
}

问题1:createClient() 不应该暴露出去,因为你没法保证每个使用者都不犯错误。
问题2:getClient() 不是线程安全的,不管程序设计者运行在什么环境,但作为一个服务器端程序开发人员应该预计用在并发环境是很正常的。
问题3:Factory的构造方法私有化其实没有必要。private MemcachedClientFactory() {   }  设计者之所以这么写,是因为混淆了一个概念,这段代码想要保证的是Name->MemcacheClient 的单例,如果把Factory弄成private就变成了想把Factory弄成单例或不可见,而实际上设计者期望对Factory的使用就是静态提取(因为Factory上并没有实例成员方法),并不需要构造实例的。
问题4:在createClient()方法中坐caches.put(name,client)违背了单一职责原则。实际上createClient()和getClient()是要明确分工的,createClient()就是负责创建连接,而getClient()就负责基于name的单例。
重构后的样例代码:

public class MemcachedClientFactory {
    private static final Logger LOG = LoggerFactory.getLogger(MemcachedClientFactory.class);

//    private static Map<String, MemcachedClient> caches = new ConcurrentHashMap<String, MemcachedClient>();
    private static ConcurrentHashMap<String, MemcachedClient> caches = new ConcurrentHashMap<String, MemcachedClient>();
    private static String configFile = "/memcached.properties";
    private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger();

//    private MemcachedClientFactory() {
//    }


    private static volatile Properties singletonProp = null;
    private static Object lockProp = new Object();
    private static Properties getProperties() throws Exception {
        if (singletonProp==null) {
            synchronized (lockProp) {
                if (singletonProp==null) {
                    Properties prop = new Properties();
                    prop.load(MemcachedClientFactory.class.getResourceAsStream(configFile));
                    singletonProp = prop;
                }
            }
        }
        return singletonProp;
    }

    private static MemcachedClient createClient(final String name) throws Exception {
        int num = counter.incrementAndGet();
        LOG.info("MemcachedClient initialize: {}#{}" ,name, num);

//        final Properties prop = new Properties();
//        prop.load(MemcachedClientFactory.class.getResourceAsStream(configFile));
        final Properties prop = getProperties();
        IMemcachedConfiguration config = new IMemcachedConfiguration() {
            @Override
            public String getName() {
                return name;
            }

            @Override
            public String getServers() {
                return prop.getProperty(name + ".servers");
            }

            @Override
            public int getConnectionPoolSize() {
                return Integer.parseInt(prop.getProperty(name + ".connectionpoolsize"));
            }
        };
        return createClient(config);
    }



    private static MemcachedClient createClient(IMemcachedConfiguration config) throws Exception {
        final String name = config.getName();
        final String servers = config.getServers();
        final int connectionPoolSize = config.getConnectionPoolSize();
        assert name != null;
        assert servers != null;
        assert connectionPoolSize <= 0 : 1;
        MemcachedClientBuilder builder = new XMemcachedClientBuilder(AddrUtil.getAddresses(servers));
        builder.setConnectionPoolSize(connectionPoolSize);
        MemcachedClient client = builder.build();
//        caches.put(name, client);//职责不单一
        return client;
    }

    public static MemcachedClient getClient(String name) throws Exception {
        MemcachedClient client = caches.get(name);
        if (client == null || client.isShutdown()) {
            LOG.info("reconnect memcached");
            synchronized(MemcachedClient.class) {
                client = caches.get(name);//ConcurrentHashMap.putIfAbsent 需要额外增加一个MemcachedClient,太昂贵
                if (client == null || client.isShutdown()) {
                    client = createClient(name);
                    if (client != null) {
                        caches.put(name, client);
                    }
                }
            }
        }
        return client;
    }
}

简单说明:
(1)private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(); 是为了简单证明在服务器多线程环境下只产生一个实例,可忽略。
(2)ConcurrentHashMap似乎没什么用。但笔者基于普通单例模式double-check时,static _instacne 常常用volatile来做可见性保证。因此Map.put(KEY,VALUE)时,为了保证put后的KEY赋值的可见性。
(3)getClient方法中没有利用ConcurrentHashMap.putIfAbsent是因为需要额外增加一个MemcachedClient,太昂贵。另外实际运行环境下并发冲突点不大。如果非昂贵对象可类似这样:
//记录每个类产生的实例的个数

@SuppressWarnings("rawtypes")
    private final ConcurrentHashMap<Class, AtomicInteger> classInstanceCounter = new ConcurrentHashMap<Class, AtomicInteger>();
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    private int incrAndGet(Class Key) {
        return incrAndGet(Key, 1);
    }
    @SuppressWarnings("rawtypes")
    private int incrAndGet(Class key, final int incrValue) {
        AtomicInteger bookIdCount = classInstanceCounter.get(key);
        if (bookIdCount == null) {
            AtomicInteger bookIdPrev = classInstanceCounter.putIfAbsent(key, new AtomicInteger(incrValue));
            if (bookIdPrev != null) {
                return bookIdPrev.addAndGet(incrValue);
            } else {
                return incrValue;
            }
        } else {
            return bookIdCount.addAndGet(incrValue);
        }
    }

我们再展开一下,如果并发度很高,而且很多不同名称的name呢? 这样上述并发控制显然粒度太粗,把原本不同name不会产生竞争的都视为竞争处理。解决思路有两个,一个是找个替身,另一个是Future Patten。
方案1:替身锁,思路是虽然MemcachedClient是比较昂贵的,但是我们可以找个不昂贵的普通对象先把NAME->VAUE映射的“坑”占上,然后对替身加锁,这样就保证不同的NAME不竞争了,相同的NAME在替身上竞争。

public static MemcachedClient getClient(String name) throws Exception {
        MemcachedClient client = caches.get(name);
        if (client == null || client.isShutdown()) {
            LOG.info("reconnect memcached");
            ReentrantLock stuntman = getStuntmanInstanceByName(name);
            try {
                stuntman.lock();
                client = caches.get(name);
                if (client == null || client.isShutdown()) {
                    client = createClient(name);
                    if (client != null) {
                        caches.put(name, client);
                    }
                }

            } finally {
                stuntman.unlock();
            }

        }
        return client;
    }

    /* 替身解决MemcachedClient在ConcurrentHashMap.putIfAbsent时比较昂贵的问题 */
    private static final ConcurrentHashMap<String, ReentrantLock> stuntmanContainer = new ConcurrentHashMap<String,ReentrantLock>();
    private static ReentrantLock getStuntmanInstanceByName(String name) {
        ReentrantLock stuntman = stuntmanContainer.get(name);
        if (stuntman == null) {
            ReentrantLock newStuntman = new ReentrantLock();
            ReentrantLock preStuntman = stuntmanContainer.putIfAbsent(name, newStuntman);
            stuntman = (preStuntman!=null ? preStuntman : newStuntman);
        }
        return stuntman;
    }

方案2:Future Patten,思路是我们在map.put的时候,虽然必须使用的MemcachedClient对象,但是此时的用途仅仅是“占坑”,而并非真正需要开始做操作了,也就是说真正操作还在以后(return出去的时候),这个场景很容易让大家想到Future Pattern,期权模式说的是发期权时并不是就要钱,而是等未来有钱的时候,有个索要凭证,也是先“占坑”。这个机制跟Spring AOP借助Spring IoC对Bean做偷梁换柱的道理是一样的,实现Future Pattern就是用Proxy Pattern,坏处就是要基于接口(基于CGLib显然没有必要)。可是MemcachedClient不是接口,为了说明这个方案,我们假设返回的是IFuture。

private static final ConcurrentHashMap<String, IFuture> futureContainer = new ConcurrentHashMap<String, IFuture>();

    private static IFuture getRealmanFutureByName(String name) {
        IFuture stuntman = futureContainer.get(name);
        if (stuntman == null) {
            IFuture newStuntman = new RealmanFuture();
            IFuture preStuntman = futureContainer.putIfAbsent(name, newStuntman);
            stuntman = (preStuntman != null ? preStuntman : newStuntman);
        }
        return stuntman;
    }

    public static interface IFuture {
        public Object doSomething(Object arg);
    }

    public static class Realman implements IFuture {
        @Override
        public Object doSomething(Object arg) {
            // do something
            return null;
        }
    }

    public static class RealmanFuture implements IFuture {
        @Override
        public Object doSomething(Object arg) {
            Realman delegate = getRealmanInstance();//把Realman的实例化推迟到使用的时候,而不是占坑的时候
            return delegate.doSomething(arg);
        }

        private volatile Realman realman = null;
        private final ReentrantLock lock = new ReentrantLock();
        private Realman getRealmanInstance() {
            if (realman == null) {
                try {
                    lock.lock();
                    if (realman == null) {
                        realman = new Realman();
                    }
                }finally {
                    lock.unlock();
                }
            }//end if
            return realman;
        }
    }












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MPU6050是一款广泛应用在无人机、机器人和运动设备中的六轴姿态传感器,它集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计。这款传感器能够实时监测并提供设备的角速度和线性加速度数据,对于理解物体的动态运动状态至关重要。在Arduino平台上,通过特定的库文件可以方便地与MPU6050进行通信,获取并解析传感器数据。 `MPU6050.cpp`和`MPU6050.h`是Arduino库的关键组成部分。`MPU6050.h`是头文件,包含了定义传感器接口和函数声明。它定义了类`MPU6050`,该类包含了初始化传感器、读取数据等方法。例如,`begin()`函数用于设置传感器的工作模式和I2C地址,`getAcceleration()`和`getGyroscope()`则分别用于获取加速度和角速度数据。 在Arduino项目中,首先需要包含`MPU6050.h`头文件,然后创建`MPU6050`对象,并调用`begin()`函数初始化传感器。之后,可以通过循环调用`getAcceleration()`和`getGyroscope()`来不断更新传感器读数。为了处理这些原始数据,通常还需要进行校准和滤波,以消除噪声和漂移。 I2C通信协议是MPU6050与Arduino交互的基础,它是一种低引脚数的串行通信协议,允许多个设备共享一对数据线。Arduino板上的Wire库提供了I2C通信的底层支持,使得用户无需深入了解通信细节,就能方便地与MPU6050交互。 MPU6050传感器的数据包括加速度(X、Y、Z轴)和角速度(同样为X、Y、Z轴)。加速度数据可以用来计算物体的静态位置和动态运动,而角速度数据则能反映物体转动的速度。结合这两个数据,可以进一步计算出物体的姿态(如角度和角速度变化)。 在嵌入式开发领域,特别是使用STM32微控制器时,也可以找到类似的库来驱动MPU6050。STM32通常具有更强大的处理能力和更多的GPIO口,可以实现更复杂的控制算法。然而,基本的传感器操作流程和数据处理原理与Arduino平台相似。 在实际应用中,除了基本的传感器读取,还可能涉及到温度补偿、低功耗模式设置、DMP(数字运动处理器)功能的利用等高级特性。DMP可以帮助处理传感器数据,实现更高级的运动估计,减轻主控制器的计算负担。 MPU6050是一个强大的六轴传感器,广泛应用于各种需要实时运动追踪的项目中。通过 Arduino 或 STM32 的库文件,开发者可以轻松地与传感器交互,获取并处理数据,实现各种创新应用。博客和其他开源资源是学习和解决问题的重要途径,通过这些资源,开发者可以获得关于MPU6050的详细信息和实践指南
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