源码项目中常见设计模式及实现

原文https://mp.weixin.qq.com/s/K8yesHkTCerRhS0HfB0LeA

单例模式

单例模式是指一个类在一个进程中只有一个实例对象（但也不一定，比如Spring中的Bean的单例是指在一个容器中是单例的）

单例模式创建分为饿汉式和懒汉式，总共大概有8种写法。但是在开源项目中使用最多的主要有两种写法：

1、静态常量方式属于饿汉式，以静态变量的方式声明对象。

这种单例模式在Spring中使用的比较多

举个例子，在Spring中对于Bean的名称生成有个类AnnotationBeanNameGenerator就是单例的。
在这里插入图片描述

2、双端检锁dcl

除了上面一种，还有一种双重检查机制在开源项目中也使用的比较多，而且在面试中也比较喜欢问。双重检查机制方式属于懒汉式，代码如下：

public class Singleton {

    private volatile static Singleton INSTANCE;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (INSTANCE == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (INSTANCE == null) {
                    INSTANCE = new Singleton();
                }
            }
        }
        return INSTANCE;
    }

}

之所以这种方式叫双重检查机制，主要是在创建对象的时候进行了两次INSTANCE == null的判断。

疑问讲解

这里解释一下双重检查机制的三个疑问：

外层判断null的作用
内层判断null的作用
变量使用volatile关键字修饰的作用

外层判断null的作用：其实就是为了减少进入同步代码块的次数，提高效率。你想一下，其实去了外层的判断其实是可以的，但是每次获取对象都需要进入同步代码块，实在是没有必要。

内层判断null的作用：防止多次创建对象。假设AB同时走到同步代码块，A先抢到锁，进入代码，创建了对象，释放锁，此时B进入代码块，如果没有判断null，那么就会直接再次创建对象，那么就不是单例的了，所以需要进行判断null，防止重复创建单例对象。

volatile关键字的作用：防止重排序。因为创建对象的过程不是原子，大概会分为三个步骤
第一步：分配内存空间给Singleton这个对象
第二步：初始化对象
第三步：将INSTANCE变量指向Singleton这个对象内存地址

假设没有使用volatile关键字发生了重排序，第二步和第三步执行过程被调换了，也就是先将INSTANCE变量指向Singleton这个对象内存地址，再初始化对象。这样在发生并发的情况下，另一个线程经过第一个if非空判断时，发现已经为不为空，就直接返回了这个对象，但是此时这个对象还未初始化，内部的属性可能都是空值，一旦被使用的话，就很有可能出现空指针这些问题。

双重检查机制在dubbo中的应用

在dubbo的spi机制中获取对象的时候有这样一段代码：

在这里插入图片描述
其实在sentinel，nacos中也是非常常见的！！

建造者模式

将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。

通俗的说：建造者模式就是将一个复杂对象的构建过程优雅的拆分，按需构建目标对象

为什么有这种需求？当一个对象参数属性非常多时，很多属性时不必要的，那么为了简单优雅创建对象，一般会采用建造者模式

上面的意思看起来很绕，其实在实际开发中，其实建造者模式使用的还是比较多的，比如有时在创建一个pojo对象时，就可以使用建造者模式来创建：

PersonDTO personDTO = PersonDTO.builder()
        .name("三友的java日记")
        .age(18)
        .sex(1)
        .phone("188****9527")
        .build();

上面这段代码就是通过建造者模式构建了一个PersonDTO对象，所以建造者模式又被称为Budiler模式。

这种模式在创建对象的时候看起来比较优雅，当构造参数比较多的时候，适合使用建造者模式。

接下来就来看看建造者模式在开源项目中是如何运用的

1、在Spring中的运用

我们都知道，Spring在创建Bean之前，会将每个Bean的声明封装成对应的一个BeanDefinition，而BeanDefinition会封装很多属性，所以Spring为了更加优雅地创建BeanDefinition，就提供了BeanDefinitionBuilder这个建造者类。

在这里插入图片描述

工厂模式

工厂模式在开源项目中也使用的非常多，具体的实现大概可以细分为三种：

简单工厂模式
工厂方法模式
抽象工厂模式

工厂模式跟建造者模式的主要区别：建造者模式是将复杂对象通过简单优雅的方式显示的进行按需创建对象，工厂模式是将复杂对象的创建过程封装，调用者无需了解具体创建流程，直接调用

1、简单工厂模式

简单工厂模式，就跟名字一样，的确很简单。比如说，现在有个动物接口Animal，具体的实现有猫Cat、狗Dog等等，而每个具体的动物对象创建过程很复杂，有各种各样地步骤，此时就可以使用简单工厂来封装对象的创建过程，调用者不需要关心对象是如何具体创建的。

通俗的讲：简单工厂模式，将复杂对象创建的过程封装，调用者可以方便的通过工程生产对象，不需要了几次创建的过程

public class SimpleAnimalFactory {

    public Animal createAnimal(String animalType) {
        if ("cat".equals(animalType)) {
            Cat cat = new Cat();
            //一系列复杂操作
            return cat;
        } else if ("dog".equals(animalType)) {
            Dog dog = new Dog();
            //一系列复杂操作
            return dog;
        } else {
            throw new RuntimeException("animalType=" + animalType + "无法创建对应对象");
        }
    }

}

当需要使用这些对象，调用者就可以直接通过简单工厂创建就行。

SimpleAnimalFactory animalFactory = new SimpleAnimalFactory();
Animal cat = animalFactory.createAnimal("cat");

需要注意的是，一般来说如果每个动物对象的创建只需要简单地new一下就行了，那么其实就无需使用工厂模式，工厂模式适合对象创建过程复杂的场景。

2、工厂方法模式

上面说的简单工厂模式看起来没啥问题，但是还是违反了七大设计原则的OCP原则，也就是开闭原则。所谓的开闭原则就是对修改关闭，对扩展开放。

什么叫对修改关闭？就是尽可能不修改的意思。就拿上面的例子来说，如果现在新增了一种动物兔子，那么createAnimal方法就得修改，增加一种类型的判断，那么就此时就出现了修改代码的行为，也就违反了对修改关闭的原则。

所以解决简单工厂模式违反开闭原则的问题，就可以使用工厂方法模式来解决。

/**
 * 工厂接口
 */
public interface AnimalFactory {
    Animal createAnimal();
}

/**
 * 小猫实现
 */
public class CatFactory implements AnimalFactory {
    @Override
    public Animal createAnimal() {
        Cat cat = new Cat();
        //一系列复杂操作
        return cat;
    }
}

/**
 * 小狗实现
 */
public class DogFactory implements AnimalFactory {
    @Override
    public Animal createAnimal() {
        Dog dog = new Dog();
        //一系列复杂操作
        return dog;
    }
}

这种方式就是工厂方法模式。他将动物工厂提取成一个接口AnimalFactory，具体每个动物都各自实现这个接口，每种动物都有各自的创建工厂，如果调用者需要创建动物，就可以通过各自的工厂来实现。

AnimalFactory animalFactory = new CatFactory();
Animal cat = animalFactory.createAnimal();

此时假设需要新增一个动物兔子，那么只需要实现AnimalFactory接口就行，对于原来的猫和狗的实现，其实代码是不需要修改的，遵守了对修改关闭的原则，同时由于是对扩展开放，实现接口就是扩展的意思，那么也就符合扩展开放的原则。

3、抽象工厂模式

工厂方法模式其实是创建一个产品的工厂，比如上面的例子中，AnimalFactory其实只创建动物这一个产品。而抽象工厂模式特点就是创建一系列产品，比如说，不同的动物吃的东西是不一样的，那么就可以加入食物这个产品，通过抽象工厂模式来实现。

4、工厂模式在Mybatis的运用

在Mybatis中，当需要调用Mapper接口执行sql的时候，需要先获取到SqlSession，通过SqlSession再获取到Mapper接口的动态代理对象，而SqlSession的构造过程比较复杂，所以就提供了SqlSessionFactory工厂类来封装SqlSession的创建过程。

在这里插入图片描述

对于使用者来说，只需要通过SqlSessionFactory来获取到SqlSession，而无需关心SqlSession是如何创建的。

5、工厂模式在Spring中的运用

BeanFactory就是Bean生成的工厂。一个Spring Bean在生成过程中会经历复杂的一个生命周期，而这些生命周期对于使用者来说是无需关心的，所以就可以将Bean创建过程的逻辑给封装起来，提取出一个Bean的工厂。

策略模式

策略模式也比较常见，就比如说在Spring源码中就有很多地方都使用到了策略模式。

通俗来讲：策略模式就是减少代码中大量if-else的过程

假设现在有一个需求，需要将消息推送到不同的平台。最简单的做法其实就是使用if else来做判断就行了。

public void notifyMessage(User user, String content, int notifyType) {
    if (notifyType == 0) {
        //调用短信通知的api发送短信
    } else if (notifyType == 1) {
        //调用app通知的api发送消息
    }
}

根据不同的平台类型进行判断，调用对应的api发送消息。

虽然这样能实现功能，但是跟上面的提到的简单工厂的问题是一样的，同样违反了开闭原则。当需要增加一种平台类型，比如邮件通知，那么就得修改notifyMessage的方法，再次进行else if的判断，然后调用发送邮件的邮件发送消息。

此时就可以使用策略模式来优化了。

1、策略模式实现

定义一个接口

public interface MessageNotifier {

    /**
     * 是否支持改类型的通知的方式
     *
     * @param notifyType 0:短信 1:app
     * @return
     */
    boolean support(int notifyType);

    /**
     * 通知
     *
     * @param user
     * @param content
     */
    void notify(User user, String content);

}

邮件实现

@Component
public class SMSMessageNotifier implements MessageNotifier {
    @Override
    public boolean support(int notifyType) {
        return notifyType == 0;
    }

    @Override
    public void notify(User user, String content) {
        //调用短信通知的api发送短信
    }
}

app通知实现

public class AppMessageNotifier implements MessageNotifier {
    @Override
    public boolean support(int notifyType) {
        return notifyType == 1;
    }

    @Override
    public void notify(User user, String content) {
       //调用通知app通知的api
    }
}

最后notifyMessage的实现只需要要循环调用所有的MessageNotifier的support方法，一旦support方法返回true，说明当前MessageNotifier支持该类的消息发送，最后再调用notify发送消息就可以了。

@Resource
private List<MessageNotifier> messageNotifiers;

public void notifyMessage(User user, String content, int notifyType) {
    for (MessageNotifier messageNotifier : messageNotifiers) {
        if (messageNotifier.support(notifyType)) {
            messageNotifier.notify(user, content);
        }
    }
}

那么如果现在需要支持通过邮件通知，只需要实现MessageNotifier接口，注入到Spring容器就行，其余的代码根本不需要有任何变动。

到这其实可以更好的理解策略模式了。就拿上面举的例子来说，短信通知，app通知等其实都是发送消息一种策略，而策略模式就是需要将这些策略进行封装，抽取共性，使这些策略之间相互替换。

2、策略模式在消息推送组件中使用

详情看message-push

3、策略模式在SpringMVC中的运用

比如说，我们经常在写接口的时候，会使用到了@PathVariable、@RequestParam、@RequestBody等注解，一旦我们使用了注解，SpringMVC会处理注解，从请求中获取到参数，然后再调用接口传递过来，而这个过程，就使用到了策略模式。

对于这类参数的解析，SpringMVC提供了一个策略接口HandlerMethodArgumentResolver

在这里插入图片描述
这个接口的定义就跟我们上面定义的差不多，不同的参数处理只需要实现这个解决就行，比如上面提到的几个注解，都有对应的实现。

比如处理@RequestParam注解的RequestParamMethodArgumentResolver的实现。

在这里插入图片描述
SpringMVC对于返回值的处理也是基于策略模式来实现的。

HandlerMethodReturnValueHandler接口定义跟上面都是同一种套路。

比如说，常见的对于@ResponseBody注解处理的实现RequestResponseBodyMethodProcessor。

在这里插入图片描述

模板方法模式

模板方法模式是指，在父类中定义一个操作中的框架，而操作步骤的具体实现交由子类做。其核心思想就是，对于功能实现的顺序步骤是一定的，但是具体每一步如何实现交由子类决定。

通俗来讲：模板方法模式就是将一个功能的实现步骤顺序进行规定，但功能节点具体如何实现交由子类定义

比如说，对于旅游来说，一般有以下几个步骤：

做攻略，选择目的地
收拾行李
乘坐交通工具去目的地
玩耍、拍照
乘坐交通工具去返回

但是对于去哪，收拾什么东西都，乘坐什么交通工具，都是由具体某个旅行来决定。
那么对于旅游这个过程使用模板方法模式翻译成代码如下：

public abstract class Travel {

    public void travel() {
        //做攻略
        makePlan();

        //收拾行李
        packUp();

        //去目的地
        toDestination();

        //玩耍、拍照
        play();

        //乘坐交通工具去返回
        backHome();
    }

    protected abstract void makePlan();

    protected abstract void packUp();

    protected abstract void toDestination();

    protected abstract void play();

    protected abstract void backHome();

}

对于某次旅行来说，只需要重写每个步骤该做的事就行，比如说这次可以选择去杭州西湖，下次可以去长城，但是对于旅行过程来说是不变了，对于调用者来说，只需要调用暴露的travel方法就行。

可能这说的还是比较抽象，我再举两个模板方法模式在源码中实现的例子。

1、模板方法模式在HashMap中的使用

HashMap我们都很熟悉，可以通过put方法存元素，并且在元素添加成功之后，会调用一下afterNodeInsertion方法。

在这里插入图片描述

而afterNodeInsertion其实是在HashMap中是空实现，什么事都没干。

在这里插入图片描述

这其实就是模板方法模式。HashMap定义了一个流程，那就是当元素成功添加之后会调用afterNodeInsertion，子类如果需要在元素添加之后做什么事，那么重写afterNodeInsertion就行。

正巧，JDK中的LinkedHashMap重写了这个方法。

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2、模板方法模式在Spring中的运用

我们都知道，在Spring中，ApplicationContext在使用之前需要调用一下refresh方法，而refresh方法就定义了整个容器刷新的执行流程代码。

在这里插入图片描述

在整个刷新过程有一个onRefresh方法

在这里插入图片描述

而onRefresh方法默认是没有做任何事，并且在注释上有清楚两个单词Template method，翻译过来就是模板方法的意思，所以onRefresh就是一个模板方法，

并且方法内部的注释也表明了，这个方法是为了子类提供的。

在Web环境下，子类会重写这个方法，然后创建一个Web服务器。

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3、模板方法模式在Mybatis中的使用

在Mybatis中，是使用Executor执行Sql的。

在这里插入图片描述

而Mybatis一级缓存就在Executor的抽象实现中BaseExecutor实现的。如图所示，红圈就是一级缓存

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责任链模式

在责任链模式里，很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递，由该链上的某一个对象或者某几个对象决定处理此请求，每个对象在整个处理过程中值扮演一个小小的角色。

通俗来讲：责任链模式主要是将处理流程构成一条顺序执行链，链上每个节点，有各自不同的责任，对请求进行处理

举个例子，现在有个请假的审批流程，根据请假的人的级别审批到的领导不同，比如有有组长、主管、HR、分管经理等等。

先需要定义一个处理抽象类，抽象类有个下一个处理对象的引用，提供了抽象处理方法，还有一个对下一个处理对象的调用方法。

责任链实现

定义一个抽象类，保存下一个执行节点

public abstract class ApprovalHandler {

    /**
     * 责任链中的下一个处理对象
     */
    protected ApprovalHandler next;

    /**
     * 设置下一个处理对象
     *
     * @param approvalHandler
     */
    public void nextHandler(ApprovalHandler approvalHandler) {
        this.next = approvalHandler;
    }

    /**
     * 处理
     *
     * @param approvalContext
     */
    public abstract void approval(ApprovalContext approvalContext);

    /**
     * 调用下一个处理对象
     *
     * @param approvalContext
     */
    protected void invokeNext(ApprovalContext approvalContext) {
        if (next != null) {
            next.approval(approvalContext);
        }
    }

}

几种审批人的实现

//组长审批实现
public class GroupLeaderApprovalHandler extends ApprovalHandler {
    @Override
    public void approval(ApprovalContext approvalContext) {
        System.out.println("组长审批");
        //调用下一个处理对象进行处理
        invokeNext(approvalContext);
    }
}

//主管审批实现
public class DirectorApprovalHandler extends ApprovalHandler {
    @Override
    public void approval(ApprovalContext approvalContext) {
        System.out.println("主管审批");
        //调用下一个处理对象进行处理
        invokeNext(approvalContext);
    }
}

//hr审批实现
public class HrApprovalHandler extends ApprovalHandler {
    @Override
    public void approval(ApprovalContext approvalContext) {
        System.out.println("hr审批");
        //调用下一个处理对象进行处理
        invokeNext(approvalContext);
    }
}

有了这几个实现之后，接下来就需要对对象进行组装，组成一个链条，比如在Spring中就可以这么玩。

@Component
public class ApprovalHandlerChain {

    @Autowired
    private GroupLeaderApprovalHandler groupLeaderApprovalHandler;
    @Autowired
    private DirectorApprovalHandler directorApprovalHandler;
    @Autowired
    private HrApprovalHandler hrApprovalHandler;

    public ApprovalHandler getChain() {
        //组长处理完下一个处理对象是主管
        groupLeaderApprovalHandler.nextHandler(directorApprovalHandler);
        //主管处理完下一个处理对象是hr
        directorApprovalHandler.nextHandler(hrApprovalHandler);
        
        //返回组长，这样就从组长开始审批，一条链就完成了
        return groupLeaderApprovalHandler;
    }

}

之后对于调用方而言，只需要获取到链条，开始处理就行。

一旦后面出现需要增加或者减少审批人，只需要调整链条中的节点就行，对于调用者来说是无感知的。

1、在SpringMVC中的使用

在SpringMVC中，可以通过使用HandlerInterceptor对每个请求进行拦截。实际上就是责任链拦截器

在这里插入图片描述

2、在sentinel中使用

Sentinel是阿里开源的一个流量治理组件，而Sentinel核心逻辑的执行其实就是一条责任链。

在Sentinel中，有个核心抽象类AbstractLinkedProcessorSlot

在这里插入图片描述
这个组件内部也维护了下一个节点对象，这个类扮演的角色跟例子中的ApprovalHandler类是一样的，写法也比较相似。这个组件有很多实现

在这里插入图片描述

比如有比较核心的几个实现

DegradeSlot：熔断降级的实现
FlowSlot：流量控制的实现
StatisticSlot：统计的实现，比如统计请求成功的次数、异常次数，为限流提供数据来源
SystemSlot：根据系统规则来进行流量控制

在这里插入图片描述

代理模式

代理模式分为动态代理和静态代理

代理模式也是开源项目中很常见的使用的一种设计模式，这种模式可以在不改变原有代码的情况下增加功能。

举个例子，比如现在有个PersonService接口和它的实现类PersonServiceImpl

//接口
public interface PersonService {

    void savePerson(PersonDTO person);
    
}

//实现
public class PersonServiceImpl implements PersonService{
    @Override
    public void savePerson(PersonDTO person) {
        //保存人员信息
    }
}

这个类刚开始运行的好好的，但是突然之前不知道咋回事了，有报错，需要追寻入参，所以此时就可以这么写。

public class PersonServiceImpl implements PersonService {
    @Override
    public void savePerson(PersonDTO person) {
        log.info("savePerson接口入参:{}", JSON.toJSONString(person));
        //保存人员信息
    }
}

这么写，就修改了代码，万一以后不需要打印日志了呢，岂不是又要修改代码，不符和之前说的开闭原则，那么怎么写呢？可以这么玩。

public class PersonServiceProxy implements PersonService {

    private final PersonService personService = new PersonServiceImpl();

    @Override
    public void savePerson(PersonDTO person) {
        log.info("savePerson接口入参:{}", JSON.toJSONString(person));
        personService.savePerson(person);
    }
}