Java中性能相關的設計模式有哪些

這篇文章主要介紹“Java中性能相關的設計模式有哪些”，在日常操作中，相信很多人在Java中性能相關的設計模式有哪些問題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡單好用的操作方法，希望對大家解答”Java中性能相關的設計模式有哪些”的疑惑有所幫助！接下來，請跟著小編一起來學習吧！

代碼的結構對應用的整體性能，有著重要的影響。結構優秀的代碼，可以避免很多潛在的性能問題，在代碼的擴展性上也有巨大的作用；結構清晰、層次分明的代碼，也有助于幫你找到系統的瓶頸點，進行專項優化。

設計模式就是對常用開發技巧進行的總結，它使得程序員之間交流問題，有了更專業、便捷的方式。

事實上，大多數設計模式并不能增加程序的性能，它只是代碼的一種組織方式。本文，我們將一一舉例講解和性能相關的幾個設計模式，包括代理模式、單例模式、享元模式、原型模式等。

代理模式

代理模式（Proxy）可以通過一個代理類，來控制對一個對象的訪問。

Java 中實現動態代理主要有兩種模式：一種是使用 JDK，另外一種是使用 CGLib。 其中，JDK 方式是面向接口的，主要的相關類是 InvocationHandler 和 Proxy；CGLib 可以代理普通類，主要的相關類是 MethodInterceptor 和 Enhancer。

這個知識點面試頻率非常高。

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 測試結果：

我現在用的 JDK 版本是 1.8，可以看到，CGLib 的速度并沒有傳得那么快（有傳言高出10 倍），相比較而言，它的速度甚至略有下降。
我們再來看下代理的創建速度，結果如下所示。可以看到，在代理類初始化方面，JDK 的吞吐量要高出 CGLib 一倍。

Spring動態代理

Spring 廣泛使用了代理模式，它使用 CGLIB 對 Java 的字節碼進行了增強。在復雜的項目中，會有非常多的 AOP 代碼，比如權限、日志等切面。在方便了編碼的同時，AOP 也給不熟悉項目代碼的同學帶來了很多困擾。

下面我將分析一個使用 arthas 找到動態代理慢邏輯的具體原因，這種方式在復雜項目中，非常有效，你不需要熟悉項目的代碼，就可以定位到性能瓶頸點。

首先，我們創建一個最簡單的 Bean。

package cn.wja.spring;import org.springframework.stereotype.Component;@Componentpublic class ABean {
    public void method() {
        System.out.println("****ABean method*******************");
    }}

然后，我們使用 Aspect 注解，完成切面的書寫，在前置方法里，我們讓線程 sleep 了 1 秒鐘。

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();
        }
    }}

創建一個啟動類，當訪問 /aop 鏈接時，將會輸出 Bean 的類名稱，以及它的耗時。

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;
    }}

訪問結果如下，可以看到 AOP 代理已經生效，內存里的 Bean 對象，已經變成了EnhancerBySpringCGLIB 類型，調用方法 method，耗時達到了1005ms。

下面使用 arthas 分析這個執行過程，找出耗時最高的 AOP 方法。啟動 arthas 后，可以從列表中看到我們的應用程序，在這里，輸入 1 進入分析界面。

在終端輸入 trace 命令，然后訪問 /aop 接口，終端將打印出一些 debug 信息，可以發現耗時操作就是 Spring 的代理類。

trace cn.wja.spring.ABean method

單例模式

Spring 在創建組件的時候，可以通過 scope 注解指定它的作用域，用來標示這是一個prototype（多例）還是 singleton（單例）。

當指定為單例時（默認行為），在 Spring 容器中，組件有且只有一份，當你注入相關組件的時候，獲取的組件實例也是同一份。

如果是普通的單例類，我們通常將單例的構造方法設置成私有的，單例有懶漢加載和餓漢加載模式。

餓漢模式

了解 JVM 類加載機制的同學都知道，一個類從加載到初始化，要經歷 5 個步驟：加載、驗證、準備、解析、初始化。

其中，static 字段和 static 代碼塊，是屬于類的，在類加載的初始化階段就已經被執行。它在字節碼中對應的是 方法，屬于類的（構造方法）。因為類的初始化只有一次，所以它就能夠保證這個加載動作是線程安全的。

根據以上原理，只要把單例的初始化動作，放在方法里，就能夠實現餓漢模式。

private static Singleton instace = new Singleton();

理論上來說，餓漢模式它會造成資源的浪費，可能生成一些永遠不會用到的對象，因此很多教程不建議用。但實際上來說，這存粹是脫褲子放屁，如果你真的永遠用不到這個對象，你為何要創建這個類，寫一個單例模式？ 我覺得對于普通項目來說，餓漢模式就完全足夠了。

飽漢模式

而對象初始化就不一樣了。通常，我們在 new 一個新對象的時候，都會調用它的構造方法，就是，用來初始化對象的屬性。由于在同一時刻，多個線程可以同時調用函數，我們就需要使用 synchronized 關鍵字對生成過程進行同步。

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 的關鍵代碼，我們介紹一下四個關鍵點：

• 第一次檢查，當 instance 為 null 的時候，進入對象實例化邏輯，否則直接返回。

• 加同步鎖，這里是類鎖。

• 第二次檢查才是關鍵。如果不加這次判空動作，可能會有多個線程進入同步代碼塊，進而生成多個實例。

• 最后一個關鍵點是 volatile 關鍵字。在一些低版本的 Java 里，由于指令重排的緣故，可能會導致單例被 new 出來后，還沒來得及執行構造函數，就被其他線程使用。 這個關鍵字，可以阻止字節碼指令的重排序，在寫 double check 代碼時，習慣性會加上 volatile。

可以看到，double check 的寫法繁雜，注意點很多，它現在其實是一種反模式，已經不推薦使用了，我也不推薦你用在自己的代碼里。但它能夠考察面試者對并發的理解，所以這個問題經常被問到。

代碼片段如下：

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框架那就更簡單了：

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

享元模式

享元模式（Flyweight）專門針對性能優化的設計模式，它通過共享技術，最大限度地復用對象。享元模式一般會使用唯一的標識碼進行判斷，然后返回對應的對象，使用 HashMap 一類的集合存儲非常合適。

上面的描述，我們非常熟悉，因為本專欄的之前的博文中，我們就能看到很多享元模式的身影，比如博文 淺談Java中的池化技術 里的池化對象和博文 如何處理Java中的大對象 里的對象復用等。

案例：Integer

在Java中，我們常見的Integer，為了提升效率，在創建[1,127]范圍內的對象時也用了享元模式。通過下面的測試代碼可以驗證。

@Testpublic void myTest() throws Exception{
    Integer a=1;
    Integer b=1;
    System.out.println(a == b ? "a b同一個對象" : "a b不是同一個對象");

    Integer c=128;
    Integer d=128;
    System.out.println(c == d ? "c d同一個對象" : "c d不是同一個對象");}

多視角看問題

設計模式對這我們平常的編碼進行了抽象，從不同的角度去解釋設計模式，都會找到設計思想的一些共通點。比如，單例模式就是享元模式的一種特殊情況，它通過共享單個實例，達到對象的復用。

值得一提的是，同樣的代碼，不同的解釋，會產生不同的效果。比如下面這段代碼：

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

如果我們從對象復用的角度來說，它就是享元模式；如果我們從對象的功能角度來說，那它就是策略模式。所以大家在討論設計模式的時候，一定要注意上下文語境的這些差別。

原型模式

原型模式（Prototype）比較類似于復制粘貼的思想，它可以首先創建一個實例，然后通過這個實例進行新對象的創建。在 Java 中，最典型的就是 Object 類的 clone 方法。

但編碼中這個方法很少用，我們上面在代理模式提到的 prototype，并不是通過 clone 實現的，而是使用了更復雜的反射技術。

一個比較重要的原因就是 clone 如果只拷貝當前層次的對象，實現的只是淺拷貝。在現實情況下，對象往往會非常復雜，想要實現深拷貝的話，需要在 clone 方法里做大量的編碼，遠遠不如調用 new 方法方便。

實現深拷貝，還有序列化等手段，比如實現 Serializable 接口，或者把對象轉化成 JSON。

所以，在現實情況下，原型模式變成了一種思想，而不是加快對象創建速度的工具。

到此，關于“Java中性能相關的設計模式有哪些”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續學習更多相關知識，請繼續關注億速云網站，小編會繼續努力為大家帶來更多實用的文章！