聊聊 Java 新特性与设计模式

Java技术江湖

发布于 2023-01-04 13:16:49

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发布于 2023-01-04 13:16:49

文章被收录于专栏：微信公众号【Java技术江湖】微信公众号【Java技术江湖】

Java 平台与 OpenJDK

让我们从 Java 虚拟机开始。

编译器负责生成字节码；
JIT 编译器负责优化成本地代码；
JVM 解释器负责输出期望结果。
字节码优化技术：内联 inlining、消除 elimination、标量化 scalarization。

下面是一个优化后的结果示例：

static factory_method.Car produce(java.lang.String); 
  descriptor: (Ljava/lang/String;)Lfactory_method/Car;
  flags: (0x0008) ACC_STATIC
  Code:
    stack=7, locals=5, args_size=1
      0: new #7  // class factory_method/FactoryMethodEvent
      3: dup
      ...
      19: aload_3
      20: invokevirtual #17 // Method java/lang/String.hashCode:()I
      23: lookupswitch { // 2
        3135580: 48
        3556498: 63
        default: 75
      }
      48: aload_3
      49: ldc #23  // String fast
      51: invokevirtual #25  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z

用 SOLID 思想看设计模式

概述 SOLID 原则以及与现在开发需要考虑的一些设计原则：

SOLID 原则：单一功能、开闭原则、里氏替换、接口隔离以及依赖反转；
不要重复自己，关注点分离，CAP 原则；
编程语言和技术不可知；
微服务架构、分布式系统领域驱动设计、数据流；
可扩展性、可维护性与安全性。

设计模式分创建型、结构型、行为型，其中行为型设计模式需要考虑服务、运行时的并发。

一些重要项目

Valhalla 项目：利用通用 API、基础类型和值类型，提升机器学习和大数据应用程序性能
- 隐藏类(JEP-371)、对值类型 class 进行警告 (JEP-390) 等
Panama 项目：为 JVM 和非 Java API 提供桥梁，可以更容易地实现 App 之间的 I/O
- 外部函数和内存 API (JEP-424)、Vector API (JEP-426)等
Amber 项目：通过 Java 语言自身演进提升生产率
- 局部变量类型推断 (JEP-286)、switch 表达式改进 (JEP-361)
- TextBlocks (JEP-378)、Records (JEP-395), instanceof 的模式匹配 (JEP-394)
- 密封类 (JEP-409)、默认支持 UTF-8 (JEP-400)、Record 模式 (JEP-405)等
Loom 项目: 易于使用，高吞吐量、轻量级并发和编程方法
- 虚拟线程 (JEP-425)、结构化并发 (JEP-428)等

简化创建对象

备选方案：Factory 或 Builder。二者有何区别？
- 前者是封装，后者是逐步构建直到最后生产
- 其它区别包括，如何补充信息、实现可测试性等
其它选择:
- 抽象工厂、原型模式、单例模式、对象池延迟初始化、依赖注入

JDK 中使用 Builder：使用 StringBuilder 或者像下面这样：

public class Thread implements Runnable { //JDK19(Preview)
    public sealed interface Builder permits Builder.OfPlatform,
        Builder.OfVirtual, ThreadBuilders.BaseThreadBuilder {
        ..
    }
}

JDK 中的工厂：使用 Java Collection framework，例如 List、Set 或者 Map。

static <E> List <E> of (E e1, E e2, E e3) {
    return ImmutableCollections.listFromTrustedArray(e1, e2, e3);
}
static <K, V> Map <K, V> of (K k1, V v) {
    return new ImmutableCollections.Map1 < > (k1, v1);
}

下面是 CarFactory 示例及运行效果：

record FastCar(String type) implements Car { ...
sealed interface Factory permits CarFactory { ...
final class CarFactory {
    static Vehicle produce(String type) {
        var result =
            switch (type) {
                case "fast" - > {
                    ...
                    yield new FastCar(“super”);
                }
                case String s
                when s.length() > 10 - > new SlowCar()
                ...

如何结构化思考

如何围绕实例化对象组织代码（指令）

备选方案：适配器或享元模式；
其它方案：组合模式、装饰器模式、外观模式（也称门面模式）、过滤器模式、模块模式、控制器模式、标记型接口、代理模式、双胞胎模式。

JDK 中的适配器：

public final class Spliterators { ...
    public static <T> Iterator <T> iterator(Spliterator <<?extends T> spliterator) {
        Objects.requireNonNull(spliterator);
        class Adapter implements Iterator <T> , Consumer <T> {
            ...
        }
    }
}

public Collections {
    ...
    public static <T> ArrayList <T> list(Enumeration <T> e) { ... }

JDK 中的友元：

Integer、Byte、Character 等包装类，以及 valueOf(...) 方法使用到的缓存：

return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];

下面是 Engine 密封接口示例及运行效果：

var engine = counter++ % 2 == 0 ? new DieselEngine() : new ElectricEngine();
var fastCar = new FastCar(engine);

class FastCar {
    ...
    FastCar(Engine engine) { 
        ...
    }
    public void drive() {
        ...
        if (engine instanceof ElectricEngine ee) {
            ee.checkBatteries();
        }
        engine.run();
...
sealed interface Engine {
    void run();
}

运行时设置行为

运行时如何维护对象之间的信息传递？

由 JVM 和代码库提供灵活性和可维护性。

备选方案：责任链模式、命令模式、缓存；
其它方案：状态模式、策略模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、Null 对象、观察者模式、管道、模板方法、访问者模式等。

JDK 中的责任链：

public class Logger {
    public void log(Level level, Supplier < String > msgSupplier)
    //overloaded method, Levels: OFF, SEVERE, WARNING ...

JDK 中的命令：

java.lang.Runnable, java.lang.Callable

JDK 中的缓存：

java.util.Locale
private static class Cache extends LocaleObjectCache < Object, Locale > {
    private static final Cache LOCALECACHE = new Cache();

并发相关

那么并行执行的代码该如何考虑呢？

根据问题的多线程性质选择适合的设计模式组合。

备选方案：线程池模式；
其它方案：主动对象模式、异步方法调用、Balking 模式、双重检查锁定、读写锁、调度器等。

下图中可以看到并发相关 package 在 JDK 中的依赖关系（由 Java Mission Control 8.3 生成）

下面是一个使用虚拟线程的示例：

var threadPerTaskExecutor = Executors.newThreadPerTaskExecutor(threadFactory);
var executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
threadPerTaskExecutor.execute(() - > {
    while (active.get()) {
        executor.submit(new ComputableTask(counter));
    }
})

总结

设计模式和 JDK 新功能带来了以下好处：