Java关于延迟加载的一些应用实践

发表于:2021-3-05 09:26

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 作者:佚名    来源:Java知音

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Java
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  代码中的很多操作都是Eager的,比如在发生方法调用的时候,参数会立即被求值。总体而言,使用Eager方式让编码本身更加简单,然而使用Lazy的方式通常而言,即意味着更好的效率。
  延迟初始化
  一般有几种延迟初始化的场景:
  · 对于会消耗较多资源的对象:这不仅能够节省一些资源,同时也能够加快对象的创建速度,从而从整体上提升性能。
  · 某些数据在启动时无法获取:比如一些上下文信息可能在其他拦截器或处理中才能被设置,导致当前bean在加载的时候可能获取不到对应的变量的值,使用 延迟初始化可以在真正调用的时候去获取,通过延迟来保证数据的有效性。
  在Java8中引入的lambda对于我们实现延迟操作提供很大的便捷性,如Stream、Supplier等,下面介绍几个例子。
  Lambda
  Supplier
  通过调用get()方法来实现具体对象的计算和生成并返回,而不是在定义Supplier的时候计算,从而达到了_延迟初始化_的目的。但是在使用 中往往需要考虑并发的问题,即防止多次被实例化,就像Spring的@Lazy注解一样。
  public class Holder {  
      // 默认第一次调用heavy.get()时触发的同步方法  
      private Supplier<Heavy> heavy = () -> createAndCacheHeavy();   
      public Holder() {  
          System.out.println("Holder created");  
      }  
      public Heavy getHeavy() {  
          // 第一次调用后heavy已经指向了新的instance,所以后续不再执行synchronized  
          return heavy.get();   
      } 
      //...  
      private synchronized Heavy createAndCacheHeavy() {  
          // 方法内定义class,注意和类内的嵌套class在加载时的区别  
          class HeavyFactory implements Supplier<Heavy> {  
              // 饥渴初始化  
              private final Heavy heavyInstance = new Heavy();   
              public Heavy get() {  
                  // 每次返回固定的值 
                  return heavyInstance;   
              }   
          }       
          //第一次调用方法来会将heavy重定向到新的Supplier实例  
          if(!HeavyFactory.class.isInstance(heavy)) {  
              heavy = new HeavyFactory();  
          }  
          return heavy.get();  
      }  
  } 
  当Holder的实例被创建时,其中的Heavy实例还没有被创建。下面我们假设有三个线程会调用getHeavy方法,其中前两个线程会同时调用,而第三个线程会在稍晚的时候调用。
  当前两个线程调用该方法的时候,都会调用到createAndCacheHeavy方法,由于这个方法是同步的。因此第一个线程进入方法体,第二个线程开始等待。在方法体中会首先判断当前的heavy是否是HeavyInstance的一个实例。
  如果不是,就会将heavy对象替换成HeavyFactory类型的实例。显然,第一个线程执行判断的时候,heavy对象还只是一个Supplier的实例,所以heavy会被替换成为HeavyFactory的实例,此时heavy实例会被真正的实例化。
  等到第二个线程进入执行该方法时,heavy已经是HeavyFactory的一个实例了,所以会立即返回(即heavyInstance)。当第三个线程执行getHeavy方法时,由于此时的heavy对象已经是HeavyFactory的实例了,因此它会直接返回需要的实例(即heavyInstance),和同步方法createAndCacheHeavy没有任何关系了。
  以上代码实际上实现了一个轻量级的虚拟代理模式(Virtual Proxy Pattern)。保证了懒加载在各种环境下的正确性。
  还有一种基于delegate的实现方式更好理解一些:
  https://gist.github.com/taichi/6daf50919ff276aae74f
  import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;  
  import java.util.concurrent.ConcurrentMap;  
  import java.util.function.Supplier;  
  public class MemoizeSupplier<T> implements Supplier<T> {  
   final Supplier<T> delegate;  
   ConcurrentMap<Class<?>, T> map = new ConcurrentHashMap<>(1);  
   public MemoizeSupplier(Supplier<T> delegate) {  
    this.delegate = delegate;  
   }  
   @Override  
   public T get() {  
       // 利用computeIfAbsent方法的特性,保证只会在key不存在的时候调用一次实例化方法,进而实现单例  
    return this.map.computeIfAbsent(MemoizeSupplier.class,  
      k -> this.delegate.get());  
   }  
   public static <T> Supplier<T> of(Supplier<T> provider) {  
    return new MemoizeSupplier<>(provider);  
   }  
  } 
  以及一个更复杂但功能更多的CloseableSupplier:
  public static class CloseableSupplier<T> implements Supplier<T>, Serializable {  
          private static final long serialVersionUID = 0L;  
          private final Supplier<T> delegate;  
          private final boolean resetAfterClose; 
          private volatile transient boolean initialized;  
          private transient T value;  
          private CloseableSupplier(Supplier<T> delegate, boolean resetAfterClose) {  
              this.delegate = delegate;  
              this.resetAfterClose = resetAfterClose;  
          }  
          public T get() {  
              // 经典Singleton实现  
              if (!(this.initialized)) { // 注意是volatile修饰的,保证happens-before,t一定实例化完全  
                  synchronized (this) {  
                      if (!(this.initialized)) { // Double Lock Check  
                          T t = this.delegate.get();  
                          tthis.value = t;  
                          this.initialized = true;  
                          return t;  
                      }  
                  }  
              }  
              // 初始化后就直接读取值,不再同步抢锁  
              return this.value;  
          } 
          public boolean isInitialized() {  
              return initialized;  
          }  
          public <X extends Throwable> void ifPresent(ThrowableConsumer<T, X> consumer) throws X {  
              synchronized (this) {  
                  if (initialized && this.value != null) {  
                      consumer.accept(this.value);  
                  }  
              }  
          } 
          public <U> Optional<U> map(Function<? super T, ? extends U> mapper) {  
              checkNotNull(mapper);  
              synchronized (this) {  
                  if (initialized && this.value != null) {  
                      return ofNullable(mapper.apply(value));  
                  } else {  
                      return empty();  
                  }  
              }  
          }  
          public void tryClose() {  
              tryClose(i -> { });  
          }  
          public <X extends Throwable> void tryClose(ThrowableConsumer<T, X> close) throws X {  
              synchronized (this) {  
                  if (initialized) {  
                      close.accept(value);  
                      if (resetAfterClose) {  
                          this.value = null;  
                          initialized = false;  
                      }  
                  }  
              }  
          }  
          public String toString() {  
              if (initialized) {  
                  return "MoreSuppliers.lazy(" + get() + ")";  
              } else {  
                  return "MoreSuppliers.lazy(" + this.delegate + ")";  
              }  
          }  
      } 
  Stream
  Stream中的各种方法分为两类:
  · 中间方法(limit()/iterate()/filter()/map())
  · 结束方法(collect()/findFirst()/findAny()/count())
  前者的调用并不会立即执行,只有结束方法被调用后才会依次从前往后触发整个调用链条。但是需要注意,对于集合来说,是每一个元素依次按照处理链条执行到尾,而不是每一个中间方法都将所有能处理的元素全部处理一遍才触发 下一个中间方法。比如:
  List<String> names = Arrays.asList("Brad", "Kate", "Kim", "Jack", "Joe", "Mike");  
  final String firstNameWith3Letters = names.stream()  
      .filter(name -> length(name) == 3)  
      .map(name -> toUpper(name))  
      .findFirst()  
      .get();  
  System.out.println(firstNameWith3Letters); 
  当触发findFirst()这一结束方法的时候才会触发整个Stream链条,每个元素依次经过filter()->map()->findFirst()后返回。所以filter()先处理第一个和第二个后不符合条件,继续处理第三个符合条件,再触发map()方法,最后将转换的结果返回给findFirst()。所以filter()触发了_3_次,map()触发了_1_次。
  好,让我们来看一个实际问题,关于无限集合。
  Stream类型的一个特点是:它们可以是无限的。这一点和集合类型不一样,在Java中的集合类型必须是有限的。Stream之所以可以是无限的也是源于Stream「懒」的这一特点。
  Stream只会返回你需要的元素,而不会一次性地将整个无限集合返回给你。
  Stream接口中有一个静态方法iterate(),这个方法能够为你创建一个无限的Stream对象。它需要接受两个参数:
  public static Stream iterate(final T seed, final UnaryOperator f)
  其中,seed表示的是这个无限序列的起点,而UnaryOperator则表示的是如何根据前一个元素来得到下一个元素,比如序列中的第二个元素可以这样决定:f.apply(seed)。
  下面是一个计算从某个数字开始并依次返回后面count个素数的例子:
  public class Primes {      
      public static boolean isPrime(final int number) {  
          return number > 1 &&  
              // 依次从2到number的平方根判断number是否可以整除该值,即divisor  
              IntStream.rangeClosed(2, (int) Math.sqrt(number))  
                  .noneMatch(divisor -> number % divisor == 0);  
      }   
      private static int primeAfter(final int number) {  
          if(isPrime(number + 1)) // 如果当前的数的下一个数是素数,则直接返回该值  
              return number + 1;  
          else // 否则继续从下一个数据的后面继续找到第一个素数返回,递归  
              return primeAfter(number + 1);  
      }  
      public static List<Integer> primes(final int fromNumber, final int count) {  
          return Stream.iterate(primeAfter(fromNumber - 1), Primes::primeAfter)  
              .limit(count)  
              .collect(Collectors.<Integer>toList());  
      }  
      //...  
  } 
  对于iterate和limit,它们只是中间操作,得到的对象仍然是Stream类型。对于collect方法,它是一个结束操作,会触发中间操作来得到需要的结果。
  如果用非Stream的方式需要面临两个问题:
  · 一是无法提前知晓fromNumber后count个素数的数值边界是什么
  · 二是无法使用有限的集合来表示计算范围,无法计算超大的数值
  即不知道第一个素数的位置在哪儿,需要提前计算出来第一个素数,然后用while来处理count次查找后续的素数。可能primes方法的实现会拆成两部分,实现复杂。如果用Stream来实现,流式的处理,无限迭代,指定截止条件,内部的一套机制可以保证实现和执行都很优雅。

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