门面模式

门面模式的原理与实现

• 门面模式，也叫外观模式，英文全称是 Facade Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，门面模式是这样定义的：Provide a unified interface to a set of interfaces in a subsystem. Facade Pattern defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.翻译成中文就是：门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。进一步解释一下：假设有一个系统 A，提供了 a、b、c、d 四个接口。系统 B 完成某个业务功能，需要调用 A 系统的 a、b、d 接口。利用门面模式，我们提供一个包裹 a、b、d 接口调用的门面接口 x，给系统 B 直接使用。
• 接口粒度设计得太大，太小都不好。太大会导致接口不可复用，太小会导致接口不易用。在实际的开发中，接口的可复用性和易用性需要“微妙”的权衡。针对这个问题，一个基本的处理原则是，尽量保持接口的可复用性，但针对特殊情况，允许提供冗余的门面接口，来提供更易用的接口。

门面模式的应用场景举例

• 解决易用性问题
  • 门面模式可以用来封装系统的底层实现，隐藏系统的复杂性，提供一组更加简单易用、更高层的接口。
• 解决性能问题
  • 我们通过将多个接口调用替换为一个门面接口调用，减少网络通信成本，提高 App 客户端的响应速度。
• 解决分布式事务问题
  • 在一个金融系统中，有两个业务领域模型，用户和钱包。这两个业务领域模型都对外暴露了一系列接口，比如用户的增删改查接口、钱包的增删改查接口。假设有这样一个业务场景：在用户注册的时候，我们不仅会创建用户（在数据库 User 表中），还会给用户创建一个钱包（在数据库的 Wallet 表中）。
  • 对于这样一个简单的业务需求，我们可以通过依次调用用户的创建接口和钱包的创建接口来完成。但是，用户注册需要支持事务，也就是说，创建用户和钱包的两个操作，要么都成功，要么都失败，不能一个成功、一个失败。
  • 要支持两个接口调用在一个事务中执行，是比较难实现的，这涉及分布式事务问题。虽然我们可以通过引入分布式事务框架或者事后补偿的机制来解决，但代码实现都比较复杂。而最简单的解决方案是，利用数据库事务或者 Spring 框架提供的事务（如果是 Java 语言的话），在一个事务中，执行创建用户和创建钱包这两个 SQL 操作。这就要求两个 SQL 操作要在一个接口中完成，所以，我们可以借鉴门面模式的思想，再设计一个包裹这两个操作的新接口，让新接口在一个事务中执行两个 SQL 操作。

适配器是做接口转换，解决的是原接口和目标接口不匹配的问题。
门面模式做接口整合，解决的是多接口调用带来的问题。

组合模式

• 组合模式跟我们之前讲的面向对象设计中的“组合关系（通过组合来组装两个类）”，完全是两码事。这里讲的“组合模式”，主要是用来处理树形结构数据。这里的“数据”，你可以简单理解为一组对象集合。

组合模式的原理与实现

• 组合模式，在 GoF 的《设计模式》一书中，组合模式是这样定义的：Compose objects into tree structure to represent part-whole hierarchies.Composite lets client treat individual objects and compositions of objects uniformly.翻译成中文就是：将一组对象组织（Compose）成树形结构，以表示一种“部分 - 整体”的层次结构。组合让客户端（在很多设计模式书籍中，“客户端”代指代码的使用者。）可以统一单个对象和组合对象的处理逻辑。
• 组合模式，将一组对象组织成树形结构，将单个对象和组合对象都看做树中的节点，以统一处理逻辑，并且它利用树形结构的特点，递归地处理每个子树，依次简化代码实现。使用组合模式的前提在于，你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以，组合模式的应用场景也比较局限，它并不是一种很常用的设计模式。
• 假设我们有这样一个需求：设计一个类来表示文件系统中的目录，能方便地实现下面这些功能：
  • 动态地添加、删除某个目录下的子目录或文件；
  • 统计指定目录下的文件个数；
  • 统计指定目录下的文件总大小。
• 代码如下所示：

public abstract class FileSystemNode {protected String path;public FileSystemNode(String path) {this.path = path;}public abstract int countNumOfFiles();public abstract long countSizeOfFiles();public String getPath() {return path;}
}
public class File extends FileSystemNode {public File(String path) {super(path);}@Overridepublic int countNumOfFiles() {return 1;}@Overridepublic long countSizeOfFiles() {java.io.File file = new java.io.File(path);if (!file.exists()) return 0;return file.length();}
}
public class Directory extends FileSystemNode {private List<FileSystemNode> subNodes = new ArrayList<>();public Directory(String path) {super(path);}@Overridepublic int countNumOfFiles() {int numOfFiles = 0;for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {numOfFiles += fileOrDir.countNumOfFiles();}return numOfFiles;}@Overridepublic long countSizeOfFiles() {long sizeofFiles = 0;for (FileSystemNode fileOrDir : subNodes) {sizeofFiles += fileOrDir.countSizeOfFiles();}return sizeofFiles;}public void addSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {subNodes.add(fileOrDir);}public void removeSubNode(FileSystemNode fileOrDir) {int size = subNodes.size();int i = 0;for (; i < size; ++i) {if (subNodes.get(i).getPath().equalsIgnoreCase(fileOrDir.getPath())) {break;}}if (i < size) {subNodes.remove(i);}}
}

• 文件和目录类都设计好了，我们来看，如何用它们来表示一个文件系统中的目录树结构。具体的代码示例如下所示：

public class Demo {public static void main(String[] args) {/*** /* /wz/* /wz/a.txt* /wz/b.txt* /wz/movies/* /wz/movies/c.avi* /xzg/* /xzg/docs/* /xzg/docs/d.txt*/Directory fileSystemTree = new Directory("/");Directory node_wz = new Directory("/wz/");Directory node_xzg = new Directory("/xzg/");fileSystemTree.addSubNode(node_wz);fileSystemTree.addSubNode(node_xzg);File node_wz_a = new File("/wz/a.txt");File node_wz_b = new File("/wz/b.txt");Directory node_wz_movies = new Directory("/wz/movies/");node_wz.addSubNode(node_wz_a);node_wz.addSubNode(node_wz_b);node_wz.addSubNode(node_wz_movies);File node_wz_movies_c = new File("/wz/movies/c.avi");node_wz_movies.addSubNode(node_wz_movies_c);Directory node_xzg_docs = new Directory("/xzg/docs/");node_xzg.addSubNode(node_xzg_docs);File node_xzg_docs_d = new File("/xzg/docs/d.txt");node_xzg_docs.addSubNode(node_xzg_docs_d);System.out.println("/ files num:" + fileSystemTree.countNumOfFiles());System.out.println("/wz/ files num:" + node_wz.countNumOfFiles());}
}

• 组合模式的设计思路，与其说是一种设计模式，倒不如说是对业务场景的一种数据结构和算法的抽象。其中，数据可以表示成树这种数据结构，业务需求可以通过在树上的递归遍历算法来实现。

享元模式

享元模式原理与实现

• 所谓“享元”，顾名思义就是被共享的单元。享元模式的意图是复用对象，节省内存，前提是享元对象是不可变对象。
• 当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用。这样可以减少内存中对象的数量，起到节省内存的目的。实际上，不仅仅相同对象可以设计成享元，对于相似对象，我们也可以将这些对象中相同的部分（字段）提取出来，设计成享元，让这些大量相似对象引用这些享元。
  • 定义中的“不可变对象”指的是，一旦通过构造函数初始化完成之后，它的状态（对象的成员变量或者属性）就不会再被修改了。所以，不可变对象不能暴露任何 set() 等修改内部状态的方法。之所以要求享元是不可变对象，那是因为它会被多处代码共享使用，避免一处代码对享元进行了修改，影响到其他使用它的代码。

享元模式的实现

• 享元模式的代码实现非常简单，主要是通过工厂模式，在工厂类中，通过一个 Map 或者 List 来缓存已经创建好的享元对象，以达到复用的目的。

享元模式 vs 单例、缓存、对象池

享元模式跟单例的区别

• 在单例模式中，一个类只能创建一个对象，而在享元模式中，一个类可以创建多个对象，每个对象被多处代码引用共享。实际上，享元模式有点类似于之前讲到的单例的变体：多例。
• 区别两种设计模式，不能光看代码实现，而是要看设计意图，也就是要解决的问题。尽管从代码实现上来看，享元模式和多例有很多相似之处，但从设计意图上来看，它们是完全不同的。应用享元模式是为了对象复用，节省内存，而应用多例模式是为了限制对象的个数。

享元模式跟缓存的区别

• 在享元模式的实现中，我们通过工厂类来“缓存”已经创建好的对象。这里的“缓存”实际上是“存储”的意思，跟我们平时所说的“数据库缓存”“CPU 缓存”“MemCache 缓存”是两回事。我们平时所讲的缓存，主要是为了提高访问效率，而非复用。

享元模式跟对象池的区别

• 对象池，像 C++ 这样的编程语言，内存的管理是由程序员负责的。为了避免频繁地进行对象创建和释放导致内存碎片，我们可以预先申请一片连续的内存空间，也就是这里说的对象池。每次创建对象时，我们从对象池中直接取出一个空闲对象来使用，对象使用完成之后，再放回到对象池中以供后续复用，而非直接释放掉。
• 池化技术中的“复用”可以理解为“重复使用”，主要目的是节省时间（比如从数据库池中取一个连接，不需要重新创建）。在任意时刻，每一个对象、连接、线程，并不会被多处使用，而是被一个使用者独占，当使用完成之后，放回到池中，再由其他使用者重复利用。享元模式中的“复用”可以理解为“共享使用”，在整个生命周期中，都是被所有使用者共享的，主要目的是节省空间。

享元模式在Java中的应用

• 在 Java Integer 的实现中，-128 到 127 之间的整型对象会被事先创建好，缓存在 IntegerCache 类中。当我们使用自动装箱或者 valueOf() 来创建这个数值区间的整型对象时，会复用 IntegerCache 类事先创建好的对象。这里的 IntegerCache 类就是享元工厂类，事先创建好的整型对象就是享元对象。
• 在 Java String 类的实现中，JVM 开辟一块存储区专门存储字符串常量，这块存储区叫作字符串常量池，类似于 Integer 中的 IntegerCache。不过，跟 IntegerCache 不同的是，它并非事先创建好需要共享的对象，而是在程序的运行期间，根据需要来创建和缓存字符串常量。
• 实际上，享元模式对 JVM 的垃圾回收并不友好。因为享元工厂类一直保存了对享元对象的引用，这就导致享元对象在没有任何代码使用的情况下，也并不会被 JVM 垃圾回收机制自动回收掉。因此，在某些情况下，如果对象的生命周期很短，也不会被密集使用，利用享元模式反倒可能会浪费更多的内存。所以，除非经过线上验证，利用享元模式真的可以大大节省内存，否则，就不要过度使用这个模式，为了一点点内存的节省而引入一个复杂的设计模式，得不偿失啊。

你知道的越多，你不知道的越多。