共享模型之不可变——不可变设计、享元模式

不可变设计

另一个大家更为熟悉的 String 类也是不可变的，以它为例，说明一下不可变设计的要素

public final class String
    implements java.io.Serializable, Comparable<String>, CharSequence {
    /** The value is used for character storage. */
    private final char value[];
    /** Cache the hash code for the string */
    private int hash; // Default to 0

    // ...

}

其中第一个final保证了char的数组的引用不可被更改，第二个hash，是私有的，并且没有set方法，因此这些成员变量都是不可变的。
另外一点，String类上也加了final字符，这就防止了子类的破坏

final 的使用

发现该类、类中所有属性都是 final 的

• 属性用 final 修饰保证了该属性是只读的，不能修改
• 类用 final 修饰保证了该类中的方法不能被覆盖，防止子类无意间破坏不可变性

保护性拷贝

但有同学会说，使用字符串时，也有一些跟修改相关的方法啊，比如 substring 等，那么下面就看一看这些方法是如何实现的，就以 substring 为例：

public String substring(int beginIndex) {
	if (beginIndex < 0) {
		throw new StringIndexOutOfBoundsException(beginIndex);
	}
	int subLen = value.length - beginIndex;
	if (subLen < 0) {
		throw new StringIndexOutOfBoundsException(subLen);
	}
	return (beginIndex == 0) ? this : new String(value, beginIndex, subLen);
}

发现其内部是调用 String 的构造方法创建了一个新字符串，再进入这个构造看看，是否对 final char[] value 做出了修改：

public String(char value[], int offset, int count) {
if (offset < 0) {
    throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset);
}
if (count <= 0) {
    if (count < 0) {
        throw new StringIndexOutOfBoundsException(count);
    }
    if (offset <= value.length) {
        this.value = "".value;
        return;
    }
}
if (offset > value.length - count) {
    throw new StringIndexOutOfBoundsException(offset + count);
}
this.value = Arrays.copyOfRange(value, offset, offset+count);
}

结果发现也没有，构造新字符串对象时，会生成新的 char[] value，对内容进行复制 。这种通过创建副本对象来避免共享的手段称之为【保护性拷贝（defensive copy）】

享元模式

前面介绍的不可变对象的设计，为了保证对象的不可变性，利用了一种保护性拷贝的机制，有修改情况的时候，创建一个新的对象。这样虽然避免共享，保证这些方法的线程安全，但是也带来一些问题——对象创建的太频繁——所以关联一个设计模式——享元模式（GOF23种设计模式之一）。

简介

定义 英文名称：Flyweight pattern. 当需要重用数量有限的同一类对象时
wikipedia： A flyweight is an object that minimizes memory usage by sharing as much data aspossible with other similar objects
出自 “Gang of Four” design patterns
归类 Structual patterns

体现

包装类

在JDK中 Boolean，Byte，Short，Integer，Long，Character 等包装类提供了 valueOf 方法，例如 Long 的valueOf 会缓存 -128~127 之间的 Long 对象，在这个范围之间会重用对象，大于这个范围，才会新建 Long 对象：

public static Long valueOf(long l) {
	final int offset = 128;
	if (l >= -128 && l <= 127) { // will cache
		return LongCache.cache[(int)l + offset];
	}
	return new Long(l);
}

注意：

• Byte, Short, Long 缓存的范围都是 -128~127
• Character 缓存的范围是 0~127
• Integer的默认范围是 -128~127
  • 最小值不能变
  • 但最大值可以通过调整虚拟机参数 -Djava.lang.Integer.IntegerCache.high 来改变
• Boolean 缓存了 TRUE 和 FALSE

String 串池

BigDecimal BigInteger

包装类这些，他们都是不可变类，体现的都是享元模式，是线程安全的。
辨析
前面提到的不可变类，他们的线程安全性，都是指单个方法运行时是线程安全的，但他们多个方法的组合不能保证线程的安全。所以需要使用额外的手段保障他们的线程安全性。

DIY

自己实现一个数据库连接池，来体现享元模式。
问题背景
例如：一个线上商城应用，QPS 达到数千，如果每次都重新创建和关闭数据库连接，性能会受到极大影响。 这时预先创建好一批连接，放入连接池。一次请求到达后，从连接池获取连接，使用完毕后再还回连接池，这样既节约了连接的创建和关闭时间，也实现了连接的重用，不至于让庞大的连接数压垮数据库。

@Slf4j(topic = "c.Pool")
class Pool {
    // 1. 连接池大小
    private final int poolSize;

    // 2. 连接对象数组
    private Connection[] connections;

    // 3. 连接状态数组 0 表示空闲， 1 表示繁忙
    private AtomicIntegerArray states;

    // 4. 构造方法初始化
    public Pool(int poolSize) {
        this.poolSize = poolSize;
        this.connections = new Connection[poolSize];
        this.states = new AtomicIntegerArray(new int[poolSize]);
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            connections[i] = new MockConnection("连接" + (i+1));
        }
    }

    // 5. 借连接
    public Connection borrow() {
        while(true) {
            for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
                // 获取空闲连接
                if(states.get(i) == 0) {
                    if (states.compareAndSet(i, 0, 1)) {
                        log.debug("borrow {}", connections[i]);
                        return connections[i];
                    }
                }
            }
            // 如果没有空闲连接，当前线程进入等待
            synchronized (this) {
                try {
                    log.debug("wait...");
                    this.wait();
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }

    // 6. 归还连接
    public void free(Connection conn) {
        for (int i = 0; i < poolSize; i++) {
            if (connections[i] == conn) {
                states.set(i, 0);
                synchronized (this) {
                    log.debug("free {}", conn);
                    this.notifyAll();
                }
                break;
            }
        }
    }
}

class MockConnection implements Connection {

    private String name;

    public MockConnection(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "MockConnection{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
    /*下面是导入Connection的重写类，太多了，省略*/
}

使用连接池：

public class Test3 {
    public static void main(String[] args) {
        Pool pool = new Pool(2);
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                Connection conn = pool.borrow();
                try {
                    Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                pool.free(conn);
            }).start();
        }
    }
}

以上实现没有考虑：

• 连接的动态增长与收缩
• 连接保活（可用性检测）
• 等待超时处理
• 分布式 hash

对于关系型数据库，有比较成熟的连接池实现，例如c3p0, druid等 对于更通用的对象池，可以考虑使用apache
commons pool，例如redis连接池可以参考jedis中关于连接池的实现