原型模式

原型模式的原理与应用

• 如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式（Prototype Design Pattern），简称原型模式。
• 如果对象中的数据需要经过复杂的计算才能得到（比如排序、计算哈希值），或者需要从RPC、网络、数据库、文件系统等非常慢速的IO中读取，这种情况下，我们就可以利用原型模式，从其他已有对象中直接拷贝得到，而不用每次在创建新对象的时候，都重复执行这些耗时的操作。

文中举例

• 假设数据库中存储了大约10万条“搜索关键词”信息，每条信息包含关键词、关键词被搜索的次数、信息最近被更新的时间等。
• 系统 A 在启动的时候会加载这份数据到内存中，用于处理某些其他的业务需求。
• 另外一个系统 B，专门用来分析搜索日志，定期（比如间隔10分钟）批量地更新数据库中的数据，并且标记为新的数据版本。比如对 v2 版本的数据进行更新，得到 v3 版本的数据。
• 为了保证系统 A 中数据的实时性（不一定非常实时，但数据也不能太旧），系统 A 需要定期根据数据库中的数据，更新内存中的索引和数据。

实现方案1

• 我们只需要在系统A中，记录当前数据的版本 Va 对应的更新时间 Ta，从数据库中捞出更新时间大于 Ta 的所有搜索关键词，也就是找出 Va 版本与最新版本数据的“差集”，然后针对差集中的每个关键词进行处理。

public class Demo {
  private ConcurrentHashMap<String, SearchWord> currentKeywords = new ConcurrentHashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    //从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到currentKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (currentKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
      	currentKeywords.replace(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      } else {
        currentKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO:从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

增加需求

• 任何时刻，系统 A 中的所有数据都必须是同一个版本的，要么都是版本 a，要么都是版本 b，不能有的是版本 a，有的是版本 b。
• 在更新内存数据的时候，系统 A 不能处于不可用状态，也就是不能停机更新数据。

实现方案2

• 我们把正在使用的数据的版本定义为“服务版本”，当我们要更新内存中的数据的时候，我们并不是直接在服务版本（假设是版本 a 数据）上更新，而是重新创建另一个版本数据（假设是版本 b 数据），等新的版本数据建好之后，再一次性地将服务版本从版本 a 切换到版本 b。这样既保证了数据一直可用，又避免了中间状态的存在。

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords= new HashMap<>();
  public void refresh() {
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new LinkedHashMap<>();
    // 从数据库中取出所有的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords();
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords() {
    // TODO: 从数据库中取出所有的数据
    return null;
  }
}

优化方案，原型模式

• 上面的代码实现中，newKeywords 构建的成本比较高。我们需要将这10万条数据从数据库中读出，然后计算哈希值，构建 newKeywords。
• 我们拷贝 currentKeywords 数据到 newKeywords 中，然后从数据库中只捞出新增或者有更新的关键词，更新到 newKeywords 中。而相对于10万条数据来说，每次新增或者更新的关键词个数是比较少的，所以，这种策略大大提高了数据更新的效率。

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    //原型模式就这么简单，拷贝已有对象的数据，更新少量差值
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
    //从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
      	oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
      	oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
      } else {
        newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO:从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

原型模式的实现方式：深拷贝和浅拷贝

• 浅拷贝和深拷贝的区别在于，浅拷贝只会复制索引（散列表），不会复制数据（SearchWord 对象）本身。相反，深拷贝不仅仅会复制索引，还会复制数据本身。浅拷贝得到的对象（newKeywords）跟原始对象（currentKeywords）共享数据（SearchWord 对象），而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。
• 在上面的代码中，我们通过调用 HashMap 上的 clone() 浅拷贝方法来实现原型模式。
• 我们可以将浅拷贝替换为深拷贝。newKeywords 不仅仅复制 currentKeywords 的索引，还把 SearchWord 对象也复制一份出来，这样 newKeywords 和 currentKeywords 就指向不同的 SearchWord 对象，也就不存在更新 newKeywords 的数据会导致 currentKeywords 的数据也被更新的问题了。

实现方案1

• 第一种方法：递归拷贝对象、对象的引用对象以及引用对象的引用对象……直到要拷贝的对象只包含基本数据类型数据，没有引用对象为止。

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    // Deep copy
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = new HashMap<>();
    for (HashMap.Entry<String, SearchWord> e : currentKeywords.entrySet()) {
      SearchWord searchWord = e.getValue();
      SearchWord newSearchWord = new SearchWord(searchWord.getKeyword(), searchWord.getCount(), searchWord.getLastUpdateTime());
      newKeywords.put(e.getKey(), newSearchWord);
    }
    //从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if (newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        SearchWord oldSearchWord = newKeywords.get(searchWord.getKeyword());
     	oldSearchWord.setCount(searchWord.getCount());
      	oldSearchWord.setLastUpdateTime(searchWord.getLastUpdateTime());
      } else {
        newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
      }
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO:从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}

实现方案2

• 第二种方法：先将对象序列化，然后再反序列化成新的对象。

public Object deepCopy(Object object) {
  ByteArrayOutputStream bo = new ByteArrayOutputStream();
  ObjectOutputStream oo = new ObjectOutputStream(bo);
  oo.writeObject(object);
  ByteArrayInputStream bi = new ByteArrayInputStream(bo.toByteArray());
  ObjectInputStream oi = new ObjectInputStream(bi);
  return oi.readObject();
}

实现方案3

• 我们可以先采用浅拷贝的方式创建 newKeywords。对于需要更新的 SearchWord 对象，我们再使用深度拷贝的方式创建一份新的对象，替换 newKeywords 中的老对象。毕竟需要更新的数据是很少的。这种方式即利用了浅拷贝节省时间、空间的优点，又能保证 currentKeywords 中的中数据都是老版本的数据。

public class Demo {
  private HashMap<String, SearchWord> currentKeywords=new HashMap<>();
  private long lastUpdateTime = -1;
  public void refresh() {
    // Shallow copy
    HashMap<String, SearchWord> newKeywords = (HashMap<String, SearchWord>) currentKeywords.clone();
    //从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据，放入到newKeywords中
    List<SearchWord> toBeUpdatedSearchWords = getSearchWords(lastUpdateTime);
    long maxNewUpdatedTime = lastUpdateTime;
    for (SearchWord searchWord : toBeUpdatedSearchWords) {
      if (searchWord.getLastUpdateTime() > maxNewUpdatedTime) {
        maxNewUpdatedTime = searchWord.getLastUpdateTime();
      }
      if(newKeywords.containsKey(searchWord.getKeyword())) {
        newKeywords.remove(searchWord.getKeyword());
      }
      newKeywords.put(searchWord.getKeyword(), searchWord);
    }
    lastUpdateTime = maxNewUpdatedTime;
    currentKeywords = newKeywords;
  }
  private List<SearchWord> getSearchWords(long lastUpdateTime) {
    // TODO:从数据库中取出更新时间>lastUpdateTime的数据
    return null;
  }
}