Java中性能相关的设计模式有哪些

蜗牛 互联网技术资讯 2022-06-08 42 0

这篇文章主要介绍“Java中性能相关的设计模式有哪些”,在日常操作中,相信很多人在Java中性能相关的设计模式有哪些问题上存在疑惑,小编查阅了各式资料,整理出简单好用的操作方法,希望对大家解答”Java中性能相关的设计模式有哪些”的疑惑有所帮助!接下来,请跟着小编一起来学习吧!

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。

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

package cn.wja.proxy.cglibproxy;import org.springframework.cglib.proxy.MethodInterceptor;import org.springframework.cglib.proxy.MethodProxy;import java.lang.reflect.Method;public class CglibInterceptor implements MethodInterceptor {
    @Override
    public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
        return methodProxy.invokeSuper(o, objects);
    }}
package cn.wja.proxy.cglibproxy;import cn.wja.proxy.jdkproxy.Target;import cn.wja.proxy.jdkproxy.TargetImpl;import org.springframework.cglib.proxy.Enhancer;public class CglibFactory {

    public static Target newInstance() {
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        enhancer.setSuperclass(TargetImpl.class);
        enhancer.setCallback(new CglibInterceptor());
        return (Target) enhancer.create();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Target target = newInstance();
        System.out.println(target.targetMetod(4));
    }}

JDK

package cn.wja.proxy.jdkproxy;public interface Target {
    int targetMethod(int i);}
package cn.wja.proxy.jdkproxy;public class TargetImpl implements Target {
    @Override
    public int targetMethod(int i) {
        return i * i;
    }}
package cn.wja.proxy.jdkproxy;import java.lang.reflect.InvocationHandler;import java.lang.reflect.Method;public class JdkInvocationHandler implements InvocationHandler {
    private Target target;

    public JdkInvocationHandler(Target target) {
        this.target = target;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        //before
        Object object = method.invoke(target, args);
        //after
        return object;
    }}
package cn.wja.proxy.jdkproxy;import java.lang.reflect.Proxy;public class JdkFactory {
    public static Target newInstance(Target target) {
        Object object = Proxy.newProxyInstance(JdkInvocationHandler.class.getClassLoader(),
                new Class<?>[]{Target.class},
                new JdkInvocationHandler(target));
        return Target.class.cast(object);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Target t = new TargetImpl();
        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:

Benchmark Mode Cnt Score Error Units
ProxyBenchmark.cglib thrpt 10 78499.580 ±1771.148 ops/ms
ProxyBenchmark.jdk thrpt 10 88948.858 ±814.360 ops/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。

Benchmark Mode Cnt Score Error Units
ProxyCreateBenchmark.cglib thrpt 10 7281.487 ± 1339.779 ops/ms
ProxyCreateBenchmark.jdk thrpt 10 15612.467 ± 268.362 ops/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。

package cn.wja.spring;import org.springframework.stereotype.Component;@Componentpublic class ABean {
    public void method() {
        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。

package cn.wja.spring;import org.aspectj.lang.annotation.Aspect;import org.aspectj.lang.annotation.Before;import org.aspectj.lang.annotation.Pointcut;import org.springframework.stereotype.Component;import java.util.concurrent.TimeUnit;@Aspect@Componentpublic class MyAspect {
    @Pointcut("execution(* cn.wja.spring.ABean.*(..)))")
    public void pointcut() {
    }

    @Before("pointcut()")
    public void before() {
        System.out.println("before");
        try {
            Thread.sleep(TimeUnit.SECONDS.toMillis(1));
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new IllegalStateException();
        }
    }}

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。

package cn.wja.spring;import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;import org.springframework.boot.SpringApplication;import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;import org.springframework.scheduling.annotation.EnableAsync;import org.springframework.stereotype.Controller;import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;@SpringBootApplication@EnableAsync@Controllerpublic class App {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(App.class, args);
    }
    @Autowired
    private ABean aBean;

    @ResponseBody
    @GetMapping("/aop")
    public String aop() {
        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。

Java中性能相关的设计模式有哪些  java 第1张
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

Java中性能相关的设计模式有哪些  java 第2张

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。
Java中性能相关的设计模式有哪些  java 第3张
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。

package cn.wja.singleton;public class DoubleCheckSingleton {
    private volatile static DoubleCheckSingleton instance = null;
    private DoubleCheckSingleton() {
    }

    public static DoubleCheckSingleton getInstance() {
        if (null == instance) {
            synchronized (DoubleCheckSingleton.class) {
                if (null == instance) {
                    instance = new DoubleCheckSingleton();
                }
            }
        }
        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。

代码片段如下:

package cn.wja.singleton;public class EnumSingleton {
    private EnumSingleton() {
    }

    public static EnumSingleton getInstance() {
        return Holder.HOLDER.instance;
    }

    private enum Holder {
        HOLDER;
        private final EnumSingleton instance;
        Holder() {
            instance = new EnumSingleton();
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(getInstance());
    }}

如果要借助spring框架那就更简单了:

package cn.wja.singleton;import org.springframework.context.annotation.Scope;import org.springframework.stereotype.Component;@Component@Scope("singleton")public class SpringBean {
    //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。

@Testpublic void myTest() throws Exception{
    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");}

Java中性能相关的设计模式有哪些  java 第4张

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 = new HashMap<>(); strategys.put("a",new AStrategy()); strategys.put("b",new BStrategy());

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。

到此,关于“Java中性能相关的设计模式有哪些”的学习就结束了,希望能够解决大家的疑惑。理论与实践的搭配能更好的帮助大家学习,快去试试吧!若想继续学习更多相关知识,请继续关注蜗牛博客网站,小编会继续努力为大家带来更多实用的文章!

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