浅谈与性能相关的设计模式

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代码的结构对应用的整体性能，有着重要的影响。结构优秀的代码，可以避免很多潜在的性能问题，在代码的扩展性上也有巨大的作用；结构清晰、层次分明的代码，也有助于帮你找到系统的瓶颈点，进行专项优化。

设计模式就是对常用开发技巧进行的总结，它使得程序员之间交流问题，有了更专业、便捷的方式。比如，我们在 Java性能优化的七个方向 这篇文章中提到，I/O 模块使用的是装饰器模式，你就能很容易想到 I/O 模块的代码组织方式。

事实上，大多数设计模式并不能增加程序的性能，它只是代码的一种组织方式。本文，我们将一一举例讲解和性能相关的几个设计模式，包括代理模式、单例模式、享元模式、原型模式等。

代理模式

代理模式（Proxy）可以通过一个代理类，来控制对一个对象的访问。

Java 中实现动态代理主要有两种模式：一种是使用 JDK，另外一种是使用 CGLib。 其中，JDK 方式是面向接口的，主要的相关类是 InvocationHandler 和 Proxy；CGLib 可以代理普通类，主要的相关类是 MethodInterceptor 和 Enhancer。

这个知识点面试频率非常高。

CGLib

packagecn.wja.proxy.cglibproxy;importorg.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;importorg.springframework.cglib.proxy.MethodProxy;importjava.lang.reflect.Method;publicclassCglibInterceptorimplementsMethodInterceptor{@OverridepublicObjectintercept(Object o,Method method,Object[] objects,MethodProxy methodProxy)throwsThrowable{return methodProxy.invokeSuper(o, objects);}}

packagecn.wja.proxy.cglibproxy;importcn.wja.proxy.jdkproxy.Target;importcn.wja.proxy.jdkproxy.TargetImpl;importorg.springframework.cglib.proxy.Enhancer;publicclassCglibFactory{publicstaticTargetnewInstance(){Enhancer enhancer =newEnhancer();
        enhancer.setSuperclass(TargetImpl.class);
        enhancer.setCallback(newCglibInterceptor());return(Target) enhancer.create();}publicstaticvoidmain(String[] args){Target target =newInstance();System.out.println(target.targetMetod(4));}}

JDK

packagecn.wja.proxy.jdkproxy;publicinterfaceTarget{inttargetMethod(int i);}

packagecn.wja.proxy.jdkproxy;publicclassTargetImplimplementsTarget{@OverridepublicinttargetMethod(int i){return i * i;}}

packagecn.wja.proxy.jdkproxy;importjava.lang.reflect.InvocationHandler;importjava.lang.reflect.Method;publicclassJdkInvocationHandlerimplementsInvocationHandler{privateTarget target;publicJdkInvocationHandler(Target target){this.target = target;}@OverridepublicObjectinvoke(Object proxy,Method method,Object[] args)throwsThrowable{//beforeObject object = method.invoke(target, args);//afterreturn object;}}

packagecn.wja.proxy.jdkproxy;importjava.lang.reflect.Proxy;publicclassJdkFactory{publicstaticTargetnewInstance(Target target){Object object =Proxy.newProxyInstance(JdkInvocationHandler.class.getClassLoader(),newClass<?>[]{Target.class},newJdkInvocationHandler(target));returnTarget.class.cast(object);}publicstaticvoidmain(String[] args){Target t =newTargetImpl();Target target =newInstance(t);System.out.println(target.targetMethod(4));}}

下面是 JDK 方式和 CGLib 方式代理速度的 JMH 测试结果：
BenchmarkModeCntScoreErrorUnitsProxyBenchmark.cglibthrpt1078499.580±1771.148ops/msProxyBenchmark.jdkthrpt1088948.858±814.360ops/ms
我现在用的 JDK 版本是 1.8，可以看到，CGLib 的速度并没有传得那么快（有传言高出10 倍），相比较而言，它的速度甚至略有下降。
我们再来看下代理的创建速度，结果如下所示。可以看到，在代理类初始化方面，JDK 的吞吐量要高出 CGLib 一倍。
BenchmarkModeCntScoreErrorUnitsProxyCreateBenchmark.cglibthrpt107281.487± 1339.779ops/msProxyCreateBenchmark.jdkthrpt1015612.467± 268.362ops/ms

Spring动态代理

Spring 广泛使用了代理模式，它使用 CGLIB 对 Java 的字节码进行了增强。在复杂的项目中，会有非常多的 AOP 代码，比如权限、日志等切面。在方便了编码的同时，AOP 也给不熟悉项目代码的同学带来了很多困扰。

下面我将分析一个使用 arthas 找到动态代理慢逻辑的具体原因，这种方式在复杂项目中，非常有效，你不需要熟悉项目的代码，就可以定位到性能瓶颈点。

首先，我们创建一个最简单的 Bean。

packagecn.wja.spring;importorg.springframework.stereotype.Component;@ComponentpublicclassABean{publicvoidmethod(){System.out.println("****ABean method*******************");}}

然后，我们使用 Aspect 注解，完成切面的书写，在前置方法里，我们让线程 sleep 了 1 秒钟。

packagecn.wja.spring;importorg.aspectj.lang.annotation.Aspect;importorg.aspectj.lang.annotation.Before;importorg.aspectj.lang.annotation.Pointcut;importorg.springframework.stereotype.Component;importjava.util.concurrent.TimeUnit;@Aspect@ComponentpublicclassMyAspect{@Pointcut("execution(* cn.wja.spring.ABean.*(..)))")publicvoidpointcut(){}@Before("pointcut()")publicvoidbefore(){System.out.println("before");try{Thread.sleep(TimeUnit.SECONDS.toMillis(1));}catch(InterruptedException e){thrownewIllegalStateException();}}}

创建一个启动类，当访问 /aop 链接时，将会输出 Bean 的类名称，以及它的耗时。

packagecn.wja.spring;importorg.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;importorg.springframework.boot.SpringApplication;importorg.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;importorg.springframework.scheduling.annotation.EnableAsync;importorg.springframework.stereotype.Controller;importorg.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;importorg.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;@SpringBootApplication@EnableAsync@ControllerpublicclassApp{publicstaticvoidmain(String[] args){SpringApplication.run(App.class, args);}@AutowiredprivateABean aBean;@ResponseBody@GetMapping("/aop")publicStringaop(){long begin =System.currentTimeMillis();
        aBean.method();long cost =System.currentTimeMillis()- begin;String cls = aBean.getClass().toString();return cls +" | "+ cost;}}

访问结果如下，可以看到 AOP 代理已经生效，内存里的 Bean 对象，已经变成了EnhancerBySpringCGLIB 类型，调用方法 method，耗时达到了1005ms。

下面使用 arthas 分析这个执行过程，找出耗时最高的 AOP 方法。启动 arthas 后，可以从列表中看到我们的应用程序，在这里，输入 1 进入分析界面。

在终端输入 trace 命令，然后访问 /aop 接口，终端将打印出一些 debug 信息，可以发现耗时操作就是 Spring 的代理类。

trace cn.wja.spring.ABean method 

单例模式

Spring 在创建组件的时候，可以通过 scope 注解指定它的作用域，用来标示这是一个prototype（多例）还是 singleton（单例）。

当指定为单例时（默认行为），在 Spring 容器中，组件有且只有一份，当你注入相关组件的时候，获取的组件实例也是同一份。

如果是普通的单例类，我们通常将单例的构造方法设置成私有的，单例有懒汉加载和饿汉加载模式。

饿汉模式

了解 JVM 类加载机制的同学都知道，一个类从加载到初始化，要经历 5 个步骤：加载、验证、准备、解析、初始化。

其中，static 字段和 static 代码块，是属于类的，在类加载的初始化阶段就已经被执行。它在字节码中对应的是 方法，属于类的（构造方法）。因为类的初始化只有一次，所以它就能够保证这个加载动作是线程安全的。

根据以上原理，只要把单例的初始化动作，放在方法里，就能够实现饿汉模式。

private static Singleton instace = new Singleton();  

理论上来说，饿汉模式它会造成资源的浪费，可能生成一些永远不会用到的对象，因此很多教程不建议用。但实际上来说，这存粹是脱裤子放屁，如果你真的永远用不到这个对象，你为何要创建这个类，写一个单例模式？ 我觉得对于普通项目来说，饿汉模式就完全足够了。

饱汉模式

而对象初始化就不一样了。通常，我们在 new 一个新对象的时候，都会调用它的构造方法，就是，用来初始化对象的属性。由于在同一时刻，多个线程可以同时调用函数，我们就需要使用 synchronized 关键字对生成过程进行同步。

packagecn.wja.singleton;publicclassDoubleCheckSingleton{privatevolatilestaticDoubleCheckSingleton instance =null;privateDoubleCheckSingleton(){}publicstaticDoubleCheckSingletongetInstance(){if(null== instance){synchronized(DoubleCheckSingleton.class){if(null== instance){
                    instance =newDoubleCheckSingleton();}}}return instance;}}

如上面是 double check 的关键代码，我们介绍一下四个关键点：

• 第一次检查，当 instance 为 null 的时候，进入对象实例化逻辑，否则直接返回。
• 加同步锁，这里是类锁。
• 第二次检查才是关键。如果不加这次判空动作，可能会有多个线程进入同步代码块，进而生成多个实例。
• 最后一个关键点是 volatile 关键字。在一些低版本的 Java 里，由于指令重排的缘故，可能会导致单例被 new 出来后，还没来得及执行构造函数，就被其他线程使用。 这个关键字，可以阻止字节码指令的重排序，在写 double check 代码时，习惯性会加上 volatile。

可以看到，double check 的写法繁杂，注意点很多，它现在其实是一种反模式，已经不推荐使用了，我也不推荐你用在自己的代码里。但它能够考察面试者对并发的理解，所以这个问题经常被问到。

推荐使用 enum 实现懒加载的单例，《Effective Java》这本书也同样推荐了该方式。代码片段如下：

packagecn.wja.singleton;publicclassEnumSingleton{privateEnumSingleton(){}publicstaticEnumSingletongetInstance(){returnHolder.HOLDER.instance;}privateenumHolder{
        HOLDER;privatefinalEnumSingleton instance;Holder(){
            instance =newEnumSingleton();}}publicstaticvoidmain(String[] args){System.out.println(getInstance());}}

如果要借助spring框架那就更简单了：

packagecn.wja.singleton;importorg.springframework.context.annotation.Scope;importorg.springframework.stereotype.Component;@Component@Scope("singleton")publicclassSpringBean{//具体内容}

享元模式

享元模式（Flyweight）专门针对性能优化的设计模式，它通过共享技术，最大限度地复用对象。享元模式一般会使用唯一的标识码进行判断，然后返回对应的对象，使用 HashMap 一类的集合存储非常合适。

上面的描述，我们非常熟悉，因为本专栏的之前的博文中，我们就能看到很多享元模式的身影，比如博文 浅谈Java中的池化技术 里的池化对象和博文 如何处理Java中的大对象 里的对象复用等。

案例：Integer

在Java中，我们常见的Integer，为了提升效率，在创建[1,127]范围内的对象时也用了享元模式。通过下面的测试代码可以验证。

@TestpublicvoidmyTest()throwsException{Integer a=1;Integer b=1;System.out.println(a == b ?"a b同一个对象":"a b不是同一个对象");Integer c=128;Integer d=128;System.out.println(c == d ?"c d同一个对象":"c d不是同一个对象");}

多视角看问题

设计模式对这我们平常的编码进行了抽象，从不同的角度去解释设计模式，都会找到设计思想的一些共通点。比如，单例模式就是享元模式的一种特殊情况，它通过共享单个实例，达到对象的复用。

值得一提的是，同样的代码，不同的解释，会产生不同的效果。比如下面这段代码：

Map<String,Strategy> strategys =newHashMap<>(); 
strategys.put("a",newAStrategy()); 
strategys.put("b",newBStrategy());

如果我们从对象复用的角度来说，它就是享元模式；如果我们从对象的功能角度来说，那它就是策略模式。所以大家在讨论设计模式的时候，一定要注意上下文语境的这些差别。

原型模式

原型模式（Prototype）比较类似于复制粘贴的思想，它可以首先创建一个实例，然后通过这个实例进行新对象的创建。在 Java 中，最典型的就是 Object 类的 clone 方法。

但编码中这个方法很少用，我们上面在代理模式提到的 prototype，并不是通过 clone 实现的，而是使用了更复杂的反射技术。

一个比较重要的原因就是 clone 如果只拷贝当前层次的对象，实现的只是浅拷贝。在现实情况下，对象往往会非常复杂，想要实现深拷贝的话，需要在 clone 方法里做大量的编码，远远不如调用 new 方法方便。

实现深拷贝，还有序列化等手段，比如实现 Serializable 接口，或者把对象转化成 JSON。

所以，在现实情况下，原型模式变成了一种思想，而不是加快对象创建速度的工具。

小结

本文我们主要看了几个与性能相关的设计模式，包括一些高频的考点。我们了解到了 Java 实现动态代理的两种方式，以及他们的区别，在现版本的 JVM 中，性能差异并不大；我们还了解到单例模式的三种创建方式，并看了一个 double check 的反例，平常编码中，推荐使用枚举去实现单例；最后，我们学习了享元模式和原型模式，它们概念性更强一些，并没有固定的编码模式。

我们还顺便复习了 arthas 使用 trace 命令，寻找耗时代码块的方法，最终将问题定位到 Spring 的 AOP 功能模块里，而这种场景在复杂项目中经常发生，需要你特别注意。

此外，在设计模式中，对性能帮助最大的是生产者消费者模式，比如异步消息、reactor 模型等，而这一部分内容，我们将专门写一篇文章讲解中详细讲解。

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