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单例模式
问题：
- 为什么要使用单例？
- 单例存在哪些问题？
- 单例与静态类的区别？
- 有何替代的解决方案？
单例设计模式（Singleton Design Pattern） 理解起来非常简单。一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，简称单例模式。
实例1
打印日志
public class Logger {
private FileWriter writer;
public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public void log(String message) {
writer.write(mesasge);
}
}
// Logger类的应用示例：
public class UserController {
private Logger logger = new Logger();
public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log(username + " logined!");
}
}
public class OrderController {
private Logger logger = new Logger();
public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
logger.log("Created an order: " + order.toString());
}
}
解释：
在上面的代码中，我们注意到，所有的日志都写入到同一个文件 /Users/wangzheng/log.txt 中。在 UserController 和 OrderController 中，我们分别创建两个 Logger 对象。在 Web 容器的 Servlet 多线程环境下，如果两个 Servlet 线程同时分别执行 login() 和 create() 两个函数，并且同时写日志到 log.txt 文件中，那就有可能存在日志信息互相覆盖的情况。
那如何来解决这个问题呢？我们最先想到的就是通过加锁的方式：给 log() 函数加互斥锁（Java 中可以通过 synchronized 的关键字），同一时刻只允许一个线程调用执行 log() 函数。具体的代码实现如下所示：
public class Logger {
private FileWriter writer;
public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public void log(String message) {
synchronized(this) {
writer.write(mesasge);
}
}
}
解释：
不过，你仔细想想，这真的能解决多线程写入日志时互相覆盖的问题吗？答案是否定的。这是因为，这种锁是一个对象级别的锁，一个对象在不同的线程下同时调用 log() 函数，会被强制要求顺序执行。但是，不同的对象之间并不共享同一把锁 。在不同的线程下，通过不同的对象调用执行 log() 函数，锁并不会起作用，仍然有可能存在写入日志互相覆盖的问题。
我这里稍微补充一下，在刚刚的讲解和给出的代码中，我故意“隐瞒”了一个事实：我们给 log() 函数加不加对象级别的锁，其实都没有关系。因为 FileWriter 本身就是线程安全的，它的内部实现中本身就加了对象级别的锁，因此，在外层调用 write() 函数的时候，再加对象级别的锁实际上是多此一举。因为不同的 Logger 对象不共享 FileWriter 对象，所以，FileWriter 对象级别的锁也解决不了数据写入互相覆盖的问题。
那我们该怎么解决这个问题呢？实际上，要想解决这个问题也不难，我们只需要把对象级别的锁，换成类级别的锁就可以了。让所有的对象都共享同一把锁。这样就避免了不同对象之间同时调用 log() 函数，而导致的日志覆盖问题。具体的代码实现如下所示：
public class Logger {
private FileWriter writer;
public Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public void log(String message) {
synchronized(Logger.class) { // 类级别的锁
writer.write(mesasge);
}
}
}
使用单例模式
我们将 Logger 设计成一个单例类，程序中只允许创建一个 Logger 对象，所有的线程共享使用的这一个 Logger 对象，共享一个 FileWriter 对象，而 FileWriter 本身是对象级别线程安全的，也就避免了多线程情况下写日志会互相覆盖的问题。
public class Logger {
private FileWriter writer;
private static final Logger instance = new Logger();
private Logger() {
File file = new File("/Users/wangzheng/log.txt");
writer = new FileWriter(file, true); //true表示追加写入
}
public static Logger getInstance() {
return instance;
}
public void log(String message) {
writer.write(mesasge);
}
}
// Logger类的应用示例：
public class UserController {
public void login(String username, String password) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log(username + " logined!");
}
}
public class OrderController {
private Logger logger = new Logger();
public void create(OrderVo order) {
// ...省略业务逻辑代码...
Logger.getInstance().log("Created a order: " + order.toString());
}
}
创建单例
1.饿汉式
饿汉式的实现方式比较简单。在类加载的时候，instance 静态实例就已经创建并初始化好了，所以，instance 实例的创建过程是线程安全的。不过，这样的实现方式不支持延迟加载（在真正用到 IdGenerator 的时候，再创建实例），从名字中我们也可以看出这一点。具体的代码实现如下所示
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
private IdGenerator() {}
public static IdGenerator getInstance() {
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
2.懒汉式
有饿汉式，对应的，就有懒汉式。懒汉式相对于饿汉式的优势是支持延迟加载。具体的代码实现如下所示：
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static IdGenerator instance;
private IdGenerator() {}
public static synchronized IdGenerator getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new IdGenerator();
}
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
不过懒汉式的缺点也很明显，我们给 getInstance() 这个方法加了一把大锁（synchronzed），导致这个函数的并发度很低。量化一下的话，并发度是 1，也就相当于串行操作了。而这个函数是在单例使用期间，一直会被调用。如果这个单例类偶尔会被用到，那这种实现方式还可以接受。但是，如果频繁地用到，那频繁加锁、释放锁及并发度低等问题，会导致性能瓶颈，这种实现方式就不可取了。
3.双重检测
饿汉式不支持延迟加载，懒汉式有性能问题，不支持高并发。那我们再来看一种既支持延迟加载、又支持高并发的单例实现方式，也就是双重检测实现方式。
在这种实现方式中，只要 instance 被创建之后，即便再调用 getInstance() 函数也不会再进入到加锁逻辑中了。所以，这种实现方式解决了懒汉式并发度低的问题。具体的代码实现如下所示：
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private static IdGenerator instance;
private IdGenerator() {}
public static IdGenerator getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
if (instance == null) {
instance = new IdGenerator();
}
}
}
return instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
4.静态内部类
public class IdGenerator {
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
private IdGenerator() {}
//私有方法
private static class SingletonHolder{
private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
}
public static IdGenerator getInstance() {
return SingletonHolder.instance;
}
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。所以，这种实现方法既保证了线程安全，又能做到延迟加载。
5.枚举
最后，我们介绍一种最简单的实现方式，基于枚举类型的单例实现。这种实现方式通过 Java 枚举类型本身的特性，保证了实例创建的线程安全性和实例的唯一性。具体的代码如下所示：
public enum IdGenerator {
INSTANCE;
private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
public long getId() {
return id.incrementAndGet();
}
}
public void test(){
IdGenerator instence = IdGenerator.INSTENCE;
instence.getId();
}
单例模式不足
- 单例对OOP特性支持不友好
- 单例会隐藏类之间的依赖关系
- 单例对代码的扩展性不友好
- 单例对代码的可测试行不友好
- 单例不支持有参数的构造函数
- 单例模式不符合依赖倒置原则和迪米特法则
实际场景
数据库连接池，日志类，配置类，监控类
工厂模式
简单工厂模式（Simple Factory）
简单工厂模式其实就是一个类相当于工厂，根据不同条件创建不同对象，例如：
public class RuleConfigSource {
public RuleConfig load(String ruleConfigFilePath) {
String ruleConfigFileExtension = getFileExtension(ruleConfigFilePath);
IRuleConfigParser parser = RuleConfigParserFactory.createParser(ruleConfigFileExtension);
if (parser == null) {
throw new InvalidRuleConfigException(
"Rule config file format is not supported: " + ruleConfigFilePath);
}
String configText = "";
//从ruleConfigFilePath文件中读取配置文本到configText中
RuleConfig ruleConfig = parser.parse(configText);
return ruleConfig;
}
private String getFileExtension(String filePath) {
//...解析文件名获取扩展名，比如rule.json，返回json
return "json";
}
}
public class RuleConfigParserFactory {
public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
IRuleConfigParser parser = null;
if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new JsonRuleConfigParser();
} else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new XmlRuleConfigParser();
} else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new YamlRuleConfigParser();
} else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
parser = new PropertiesRuleConfigParser();
}
return parser;
}
}
或者换一种方式相对复杂度低一些
public class RuleConfigParserFactory {
private static final Map<String, RuleConfigParser> cachedParsers = new HashMap<>();
static {
cachedParsers.put("json", new JsonRuleConfigParser());
cachedParsers.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
cachedParsers.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
cachedParsers.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
}
public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
return null;//返回null还是IllegalArgumentException全凭你自己说了算
}
IRuleConfigParser parser = cachedParsers.get(configFormat.toLowerCase());
return parser;
}
}
如果添加新的解析方式那么就需要修改工厂类，所以违背了开闭原则。
工厂方法（Factory Method）
当对象的创建逻辑比较复杂的时候使用工厂方法模式，如果创建比较简单比如只是new一下那么使用简单工厂模式即可。
工厂方法即在简单工厂的基础上可以处理更为复杂的逻辑，简单工厂有一个类作为工厂类创建不同的对象即可，可以使用if-else分支创建，或者使用集合等方式；而工厂方法创建了工厂的工厂，也就是有个类用于创建工厂，不同的工厂又可以创建一个或者多个不同的对象，所以工厂方法分为抽象工厂、具体工厂、抽象产品、具体产品，例如：
工厂==》手机工厂|电脑工厂==》手机|电脑==》(华为|苹果)|(联想|戴尔|Mac)==》各个产品的型号
抽象工厂
抽象工厂模式可以处理更为特殊复杂的对象创建逻辑，比如以下示例，工厂根据不同的分类方式创建不同的对象
工厂==》（手机工厂|电脑工厂）|（华为公司|苹果公司）==》(手机|电脑)|公司==》[(华为|苹果)|(联想|戴尔|Mac)] | [(华为手机|华为电脑)|(苹果手机|苹果电脑)]==》各个产品的型号
工厂模式尽量是函数和类符合单一职责原则
- spring框架基于注释实现工厂模式，比如为每个实现类设置name，通过name反射原理获取对象
- spring中整合MyBatis中SqlSessionFactory
- spring中提供FactoryBean
- 日志创建LoggerFactory
DI容器
概念：
依赖注入框架、依赖注入容器，简称DI容器
DI 容器底层最基本的设计思路就是基于工厂模式的。DI 容器相当于一个大的工厂类，负责在程序启动的时候，根据配置（要创建哪些类对象，每个类对象的创建需要依赖哪些其他类对象）事先创建好对象。当应用程序需要使用某个类对象的时候，直接从容器中获取即可。正是因为它持有一堆对象，所以这个框架才被称为“容器”。
这时候我们马上会想到spring框架，想到spring IOC容器，可以通过配置文件xml或者注解将对象注入。
核心功能
配置解析、对象创建、对象生命周期管理
示例
spring通过xml配置文件配置bean
配置解析
public class RateLimiter {
private RedisCounter redisCounter;
public RateLimiter(RedisCounter redisCounter) {
this.redisCounter = redisCounter;
}
public void test() {
System.out.println("Hello World!");
}
//...
}
public class RedisCounter {
private String ipAddress;
private int port;
public RedisCounter(String ipAddress, int port) {
this.ipAddress = ipAddress;
this.port = port;
}
//...
}
配置文件beans.xml：
<beans>
<bean id="rateLimiter" class="com.xzg.RateLimiter">
<constructor-arg ref="redisCounter"/>
</bean>
<bean id="redisCounter" class="com.xzg.redisCounter">
<constructor-arg type="String" value="127.0.0.1">
<constructor-arg type="int" value=1234>
</bean>
</beans>
创建对象
实现原理BeansFactory通过反射机制动态加载类、创建对象。
生命周期管理
简单工厂模式有两种实现方式，一种是每次都返回新创建的对象，另一种是每次都返回同一个事先创建好的对象，也就是所谓的单例对象。在 Spring 框架中，我们可以通过配置 scope 属性，来区分这两种不同类型的对象。scope=prototype 表示返回新创建的对象，scope=singleton 表示返回单例对象。
除此之外，我们还可以配置对象是否支持懒加载。如果 lazy-init=true，对象在真正被使用到的时候（比如：BeansFactory.getBean(“userService”)）才被被创建；如果 lazy-init=false，对象在应用启动的时候就事先创建好。
不仅如此，我们还可以配置对象的 init-method 和 destroy-method 方法，比如 init-method=loadProperties()，destroy-method=updateConfigFile()。DI 容器在创建好对象之后，会主动调用 init-method 属性指定的方法来初始化对象。在对象被最终销毁之前，DI 容器会主动调用 destroy-method 属性指定的方法来做一些清理工作，比如释放数据库连接池、关闭文件。
实现DI容器
最小型设计
配置文件
配置文件beans.xml
<beans>
<bean id="rateLimiter" class="com.xzg.RateLimiter">
<constructor-arg ref="redisCounter"/>
</bean>
<bean id="redisCounter" class="com.xzg.redisCounter" scope="singleton" lazy-init="true">
<constructor-arg type="String" value="127.0.0.1">
<constructor-arg type="int" value=1234>
</bean>
</bean
创建对象，调用方法
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
ApplicationContext applicationContext = new ClassPathXmlApplicationContext(
"beans.xml");
RateLimiter rateLimiter = (RateLimiter) applicationContext.getBean("rateLimiter");
rateLimiter.test();
//...
}
}
执行入口
执行入口主要包含两部分：ApplicationContext 和 ClassPathXmlApplicationContext。其中，ApplicationContext 是接口，ClassPathXmlApplicationContext 是接口的实现类。两个类具体实现如下所示：
public interface ApplicationContext {
Object getBean(String beanId);
}
public class ClassPathXmlApplicationContext implements ApplicationContext {
private BeansFactory beansFactory;
private BeanConfigParser beanConfigParser;
public ClassPathXmlApplicationContext(String configLocation) {
this.beansFactory = new BeansFactory();
this.beanConfigParser = new XmlBeanConfigParser();
loadBeanDefinitions(configLocation);
}
private void loadBeanDefinitions(String configLocation) {
InputStream in = null;
try {
in = this.getClass().getResourceAsStream("/" + configLocation);
if (in == null) {
throw new RuntimeException("Can not find config file: " + configLocation);
}
List<BeanDefinition> beanDefinitions = beanConfigParser.parse(in);
beansFactory.addBeanDefinitions(beanDefinitions);
} finally {
if (in != null) {
try {
in.close();
} catch (IOException e) {
// TODO: log error
}
}
}
}
@Override
public Object getBean(String beanId) {
return beansFactory.getBean(beanId);
}
}
解析配置文件通过beanId获取对象
核心设计
public class BeansFactory {
private ConcurrentHashMap<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>();
private ConcurrentHashMap<String, BeanDefinition> beanDefinitions = new ConcurrentHashMap<>();
public void addBeanDefinitions(List<BeanDefinition> beanDefinitionList) {
for (BeanDefinition beanDefinition : beanDefinitionList) {
this.beanDefinitions.putIfAbsent(beanDefinition.getId(), beanDefinition);
}
for (BeanDefinition beanDefinition : beanDefinitionList) {
if (beanDefinition.isLazyInit() == false && beanDefinition.isSingleton()) {
createBean(beanDefinition);
}
}
}
public Object getBean(String beanId) {
BeanDefinition beanDefinition = beanDefinitions.get(beanId);
if (beanDefinition == null) {
throw new NoSuchBeanDefinitionException("Bean is not defined: " + beanId);
}
return createBean(beanDefinition);
}
@VisibleForTesting
protected Object createBean(BeanDefinition beanDefinition) {
if (beanDefinition.isSingleton() && singletonObjects.contains(beanDefinition.getId())) {
return singletonObjects.get(beanDefinition.getId());
}
Object bean = null;
try {
Class beanClass = Class.forName(beanDefinition.getClassName());
List<BeanDefinition.ConstructorArg> args = beanDefinition.getConstructorArgs();
if (args.isEmpty()) {
bean = beanClass.newInstance();
} else {
Class[] argClasses = new Class[args.size()];
Object[] argObjects = new Object[args.size()];
for (int i = 0; i < args.size(); ++i) {
BeanDefinition.ConstructorArg arg = args.get(i);
if (!arg.getIsRef()) {
argClasses[i] = arg.getType();
argObjects[i] = arg.getArg();
} else {
BeanDefinition refBeanDefinition = beanDefinitions.get(arg.getArg());
if (refBeanDefinition == null) {
throw new NoSuchBeanDefinitionException("Bean is not defined: " + arg.getArg());
}
argClasses[i] = Class.forName(refBeanDefinition.getClassName());
argObjects[i] = createBean(refBeanDefinition);
}
}
bean = beanClass.getConstructor(argClasses).newInstance(argObjects);
}
} catch (ClassNotFoundException | IllegalAccessException
| InstantiationException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
throw new BeanCreationFailureException("", e);
}
if (bean != null && beanDefinition.isSingleton()) {
singletonObjects.putIfAbsent(beanDefinition.getId(), bean);
return singletonObjects.get(beanDefinition.getId());
}
return bean;
}
}
建造者模式
一般开发过程中创建实体类，我们会习惯性的创建属性的set和get方法或者直接使用lombok创建，创建对象的时候通过new，再通过set赋值，或者直接通过有参构造函数创建对象。一般场景都可以使用，没有问题。
那什么时候使用建造者模式呢？
如果一个类中有很多属性，为了避免构造函数的参数列表过长，影响代码的可读性和易用性，我们可以通过构造函数配合 set() 方法来解决。但是，如果存在下面情况中的任意一种，我们就要考虑使用建造者模式了。我们把类的必填属性放到构造函数中，强制创建对象的时候就设置。如果必填的属性有很多，把这些必填属性都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。如果我们把必填属性通过 set() 方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。如果类的属性之间有一定的依赖关系或者约束条件，我们继续使用构造函数配合 set() 方法的设计思路，那这些依赖关系或约束条件的校验逻辑就无处安放了。如果我们希望创建不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值，要实现这个功能，我们就不能在类中暴露 set() 方法。构造函数配合 set() 方法来设置属性值的方式就不适用了。
示例
public class ResourcePoolConfig {
private String name;
private int maxTotal;
private int maxIdle;
private int minIdle;
private ResourcePoolConfig(Builder builder) {
this.name = builder.name;
this.maxTotal = builder.maxTotal;
this.maxIdle = builder.maxIdle;
this.minIdle = builder.minIdle;
}
//...省略getter方法...
//我们将Builder类设计成了ResourcePoolConfig的内部类。
//我们也可以将Builder类设计成独立的非内部类ResourcePoolConfigBuilder。
public static class Builder {
private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;
private String name;
private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;
public ResourcePoolConfig build() {
// 校验逻辑放到这里来做，包括必填项校验、依赖关系校验、约束条件校验等
if (StringUtils.isBlank(name)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
if (maxIdle > maxTotal) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
if (minIdle > maxTotal || minIdle > maxIdle) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
return new ResourcePoolConfig(this);
}
public Builder setName(String name) {
if (StringUtils.isBlank(name)) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.name = name;
return this;
}
public Builder setMaxTotal(int maxTotal) {
if (maxTotal <= 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.maxTotal = maxTotal;
return this;
}
public Builder setMaxIdle(int maxIdle) {
if (maxIdle < 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.maxIdle = maxIdle;
return this;
}
public Builder setMinIdle(int minIdle) {
if (minIdle < 0) {
throw new IllegalArgumentException("...");
}
this.minIdle = minIdle;
return this;
}
}
}
// 这段代码会抛出IllegalArgumentException，因为minIdle>maxIdle
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig.Builder()
.setName("dbconnectionpool")
.setMaxTotal(16)
.setMaxIdle(10)
.setMinIdle(12)
.build();
建造者模式和工厂模式区别
工厂模式是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一种类型的复杂对象，通过设置不同的可选参数，“定制化”地创建不同的对象。
个人理解：工厂模式是通过不同条件创建不同对象；建造者模式是用不同材料创建一个对象
原型模式
JavaScript 是一种基于原型的面向对象编程语言。即便 JavaScript 现在也引入了类的概念，但它也只是基于原型的语法糖而已。
原型模式的应用场景，以及它的两种实现方式：深拷贝和浅拷贝。
概念
如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式（Prototype Design Pattern），简称原型模式。
那何为“对象的创建成本比较大”？
实际上，创建对象包含的申请内存、给成员变量赋值这一过程，本身并不会花费太多时间，或者说对于大部分业务系统来说，这点时间完全是可以忽略的。应用一个复杂的模式，只得到一点点的性能提升，这就是所谓的过度设计，得不偿失。但是，如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从 RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的 IO 中读取，这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。
示例
假设数据库中存储了大约 10 万条“搜索关键词”信息，每条信息包含关键词、关键词被搜索的次数、信息最近被更新的时间等。系统 A 在启动的时候会加载这份数据到内存中，用于处理某些其他的业务需求。为了方便快速地查找某个关键词对应的信息，我们给关键词建立一个散列表索引。
如果你熟悉的是 Java 语言，可以直接使用语言中提供的 HashMap 容器来实现。其中，HashMap 的 key 为搜索关键词，value 为关键词详细信息（比如搜索次数）。我们只需要将数据从数据库中读取出来，放入 HashMap 就可以了。
若每隔一定时间需要更新关键字以及搜索次数呢？
其实可以通过HashMap中现有数据的最后时间作为条件，查询数据库中大于此时间的所有数据，然后更新HashMap中的数据，如下：
public class Demo {
private ConcurrentHashMap<String, SearchWord> currentKeywords = new ConcurrentHashMap<>();
private long lastUpdateTime = -1;
public void refresh() {
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
}
if (currentKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
currentKeywords.replace(searchWord.getKeyword(), searchWord);
} else {
currentKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
}
}
lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
}
private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
return null;
}
}
若需求要求任何时刻HashMap中的数据必须是同一版本的，不能有的是老版本的有的是新版本，也就是上述方法在更新HashMap的过程中可能导致HashMap中的数据有的已经更新了，有的还是老的，那么可以通过新的方式，即创建一个新的HashMap存储所有数据，从数据库中定时将所有数据查询出来，保存到新的HashMap中，然后将新的HashMap赋值给老的HashMap，如下：
public class Demo {
private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
public void refresh() {
HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new LinkedHashMap<>();
// 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
}
currentKeywords = newKeywords;
}
private List<SearchWord> getSearchWords() {
// TODO: 从数据库中取出所有的数据
return null;
}
}
但是新的HashMap创建成本比较高，需要同数据库隔一定时间就读取10万条数据，每次读的都是全量数据，然后再计算哈希值，比较耗时。
那么如果使用原型模式，使用拷贝的方式，如下：
public class Demo {
private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
private long lastUpdateTime = -1;
public void refresh() {
// 原型模式就这么简单，拷贝已有对象的数据，更新少量差值
HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
}
if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
} else {
newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
}
}
lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
currentKeywords = newKeywords;
}
private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
return null;
}
}
这里我们利用了 Java 中的 clone() 语法来复制一个对象。如果你熟悉的语言没有这个语法，那把数据从 currentKeywords 中一个个取出来，然后再重新计算哈希值，放入到 newKeywords 中也是可以接受的。毕竟，最耗时的还是从数据库中取数据的操作。相对于数据库的 IO 操作来说，内存操作和 CPU 计算的耗时都是可以忽略的。不过，不知道你有没有发现，实际上，刚刚的代码实现是有问题的。要弄明白到底有什么问题，我们需要先了解另外两个概念：深拷贝（Deep Copy）和浅拷贝（Shallow Copy）。
深拷贝和浅拷贝
我们来看，在内存中，用散列表组织的搜索关键词信息是如何存储的。我画了一张示意图，大致结构如下所示。从图中我们可以发现，散列表索引中，每个结点存储的 key 是搜索关键词，value 是 SearchWord 对象的内存地址。SearchWord 对象本身存储在散列表之外的内存空间中。
浅拷贝和深拷贝的区别在于，浅拷贝只会复制图中的索引（散列表），不会复制数据（SearchWord 对象）本身。相反，深拷贝不仅仅会复制索引，还会复制数据本身。浅拷贝得到的对象（newKeywords）跟原始对象（currentKeywords）共享数据（SearchWord 对象），而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。具体的对比如下图所示：
在 Java 语言中，Object 类的 clone() 方法执行的就是我们刚刚说的浅拷贝。它只会拷贝对象中的基本数据类型的数据（比如，int、long），以及引用对象（SearchWord）的内存地址，不会递归地拷贝引用对象本身。在上面的代码中，我们通过调用 HashMap 上的 clone() 浅拷贝方法来实现原型模式。当我们通过 newKeywords 更新 SearchWord 对象的时候（比如，更新“设计模式”这个搜索关键词的访问次数），newKeywords 和 currentKeywords 因为指向相同的一组 SearchWord 对象，就会导致 currentKeywords 中指向的 SearchWord，有的是老版本的，有的是新版本的，就没法满足我们之前的需求：currentKeywords 中的数据在任何时刻都是同一个版本的，不存在介于老版本与新版本之间的中间状态。
现在，我们又该如何来解决这个问题呢？
我们可以将浅拷贝替换为深拷贝。newKeywords 不仅仅复制 currentKeywords 的索引，还把 SearchWord 对象也复制一份出来，这样 newKeywords 和 currentKeywords 就指向不同的 SearchWord 对象，也就不存在更新 newKeywords 的数据会导致 currentKeywords 的数据也被更新的问题了。
那如何实现深拷贝呢？
总结一下的话，有下面两种方法。
第一种方法：递归拷贝对象、对象的引用对象以及引用对象的引用对象……直到要拷贝的对象只包含基本数据类型数据，没有引用对象为止。根据这个思路对之前的代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
public class Demo {
private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
private long lastUpdateTime = -1;
public void refresh() {
// Deep copy
HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new HashMap<>();
for (HashMap.Entry<String, SearchWord> e : currentKeywords.entrySet()) {
SearchWord searchWord = e.getValue();
SearchWord newSearchWord = new SearchWord(
searchWord.getKeyword(), searchWord.getCount(), searchWord.getLastUpdateTime());
newKeywords.put(e.getKey(), newSearchWord);
}
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
}
if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
} else {
newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
}
}
lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
currentKeywords = newKeywords;
}
private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
return null;
}
}
第二种方法：先将对象序列化，然后再反序列化成新的对象。具体的示例代码如下所示：
public Object deepCopy(Object object) {
ByteArrayOutputStream bo = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oo = new ObjectOutputStream(bo);
oo.writeObject(object);
ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream(bo.toByteArray());
ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(bi);
return oi.readObject();
}
刚刚的两种实现方法，不管采用哪种，深拷贝都要比浅拷贝耗时、耗内存空间。针对我们这个应用场景，有没有更快、更省内存的实现方式呢？
我们可以先采用浅拷贝的方式创建 newKeywords。对于需要更新的 SearchWord 对象，我们再使用深度拷贝的方式创建一份新的对象，替换 newKeywords 中的老对象。毕竟需要更新的数据是很少的。这种方式即利用了浅拷贝节省时间、空间的优点，又能保证 currentKeywords 中的中数据都是老版本的数据。具体的代码实现如下所示。这也是标题中讲到的，在我们这个应用场景下，最快速 clone 散列表的方式。
public class Demo {
private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
private long lastUpdateTime = -1;
public void refresh() {
// Shallow copy
HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
// 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
}
if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
newKeywords.remove(searchWord.getKeyword());
}
newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
}
lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
currentKeywords = newKeywords;
}
private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
// TODO: 从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
return null;
}
}
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