设计模式学习笔记 - 开源实战三（中）：剖析Google Guava中用到的设计模式

概述

上篇文章，我通过 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，并将它们抽离出来，设计成独立的类库、框架或功能组件。

本章再来学习下，Google Guava 中用到的几中经典的设计模式：Builder 模式、Wrapper 模式，以及之前没有讲过的 Immutable 模式。

Builder 模式在 Google Guava 中的应用

在项目开发中，我们常用到缓存，它可以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，我们完全没必要再项目中独立部署一套缓存系统。毕竟系统都有一定的出错率，项目中包含的系统越多，那组合起来，项目整体出错的几率就会升高，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，项目的维护成本就会变高。

取而代之，我们可以在系统内部构件一个内存缓存，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，从零开发一个缓存，涉及的工作会比较多，比如缓存淘汰策略等。为了简化开发，我们就可以使用 Google Guava 提供的线程的缓存工具类 com.google.connom.cache.*。

使用 Google Guava 来构建内存缓存非常简单，下面是我我写的一个例子。

public class CacheDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Cache<String, String> cache = CacheBuilder.newBuilder()
                .initialCapacity(100)
                .maximumSize(1000)
                .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)
                .build();
        cache.put("key1", "value1");
        String value = cache.getIfPresent("key1");
        System.out.println(value);
    }
}

从上面的代码可以看出，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？这个问题现在对你来说应该没有难度了吧，在建造者模式章节，已进行了详细的讲解了。

构建一个缓存，需要配置 n 多个参数，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，一般由两种解决方案。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() 方法来逐一设置成员变量。

为什么 Google 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？大难是不行的。至于为什么，看下面的源码就清楚了。我们把 CacheBuilder 类中的 build() 函数摘抄到了下面。

    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");
        }
    }

必须使用 Builder 模式的主要原因是，在真正构造 Cache 对象时，必须做一些必要的参数校验，也就是 build() 函数中的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的，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。

这组 Forwarding 开头命名的类虽然很多，但实现方式都很相似。下面是照抄了其中的 ForwardingCollection 中的部分代码，你可以思考下这组 Forwarding 类是干什么用的。

@GwtCompatible
public abstract class ForwardingCollection<E> extends ForwardingObject implements Collection<E> {
  // TODO(lowasser): identify places where thread safety is actually lost

  /** Constructor for use by subclasses. */
  protected ForwardingCollection() {}

  @Override
  protected abstract Collection<E> delegate();

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

  @Override
  public int size() {
    return delegate().size();
  }

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

  @Override
  public boolean isEmpty() {
    return delegate().isEmpty();
  }

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

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

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

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

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

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

  @Override
  public void clear() {
    delegate().clear();
  }

  @Override
  public Object[] toArray() {
    return delegate().toArray();
  }
  
  // ...
}

光看 ForwardingCollection 的代码实现，你可能想不到它的作用。下面是一个它的用法示例。

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<E> 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);
    }
}

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 类的基础上，针对 Add 相关操作，添加了记录日志的功能。

前面讲过，代理模式、装饰器、适配器模式都可以成为 Wapper 模式，通过 Wrapper 类二次封装原始类。它们的代码也很相似，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 originalClass;
    public WrapperClass(OriginalClass originalClass) {
        this.originalClass = originalClass;
    }
    @Override
    public void f1() {
        // 附加功能...
        originalClass.f1();
        // 附加功能...
    }
    @Override
    public void f2() {
        originalClass.f2();
    }
}

实际上，这个 ForwardingCollection 类是一个 “默认 Wrapper 类” 或者叫 “缺省 Wrapper 类”。它类似在装饰器模式章节中，讲到的 FilterInputStream。你可以回头去看下。

如果我们不使用这个 ForwardingCollection，而是让 AddLoggingCollection 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的功能只有 add() 和 addAll() 两个函数，其他函数的实现，都只是类似 Wrapper 类中的 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 类时，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，中文叫不变模式，它不属于经典的 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。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。

不可变模式分为两类，一类是普通模式不变模式，另一类是深度不变模式（Deeply Immutable Pattern）。

• 普通不变模式指的是，对象中包含的引用对象是可变的。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能。

它们之间的关系，有点类似之前讲过的浅拷贝和深拷贝之间的关系。下面是一个示例代码：

// 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，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，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，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，无setter方法...
}

在某个业务场景下，如果一个对象符合创建之后不会被修改这个特性，那我们就可以把它设计成不变类。显示地强制它不可变，这样能避免意外被修改。那如何将一个类设置为不可变类呢？其实方法很简单，只要这个类满足：所有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。此外，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，不变模式也常被归为多线程设计模式。

接下来，我们来看一下特殊的不变类，那就是不变集合。Google Guava 针对集合（Collection、List、Set、Map…）提供了对应地不变集合类（ImmutableCollection、ImmutableList、ImmutableSet、ImmutableMap…）。刚刚讲过，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，但对象的成员变量是可以改变的。

实际上，JDK 也提供了不变集合类（UnmodifiableCollection、UnmodifiableList、UnmodifiableSet、UnmodifiableMap…）。它和 Google Guava 提供的不便集合类的区别在哪里呢？我举个例子就明白，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");

		// 输出结果：
		// a b c d 
		// a b c d 
		// a b c 
        print(originalList);
        print(jdkUnmodifiableList);
        print(guavaImmutableList);
    }

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