程序員需要了解的硬核知識之二進制

我們都知道,計算機的底層都是使用二進制數據進行數據流傳輸的,那麼為什麼會使用二進製表示計算機呢?或者說,什麼是二進制數呢?在拓展一步,如何使用二進制進行加減乘除?二進制數如何表示負數呢?本文將一一為你揭曉。

為什麼用二進製表示

我們大家知道,計算機內部是由IC电子元件組成的,其中 CPU內存 也是 IC 电子元件的一種,CPU和內存圖如下

CPU 和 內存使用IC电子元件作為基本單元,IC电子元件有不同種形狀,但是其內部的組成單元稱為一個個的引腳。有人說CPU 和 內存內部都是超大規模集成電路,其實IC 就是集成電路(Integrated Circuit)。

IC元件兩側排列的四方形塊就是引腳,IC的所有引腳,只有兩種電壓: 0V5V,IC的這種特性,也就決定了計算機的信息處理只能用 0 和 1 表示,也就是二進制來處理。一個引腳可以表示一個 0 或 1 ,所以二進制的表示方式就變成 0、1、10、11、100、101等,雖然二進制數並不是專門為 引腳 來設計的,但是和 IC引腳的特性非常吻合。

計算機的最小集成單位為 ,也就是 比特(bit),二進制數的位數一般為 8位、16位、32位、64位,也就是 8 的倍數,為什麼要跟 8 扯上關係呢? 因為在計算機中,把 8 位二進制數稱為 一個字節, 一個字節有 8 位,也就是由 8個bit構成。

為什麼1個字節等於8位呢?因為 8 位能夠涵蓋所有的字符編碼,這個記住就可以了。

字節是最基本的計量單位,位是最小單位。

用字節處理數據時,如果数字小於存儲數據的字節數 ( = 二進制的位數),那麼高位就用 0 填補,高位和數學的數字錶示是一樣的,左側表示高位,右側表示低位。比如 這個六位數用二進制數來表示就是 100111,只有6位,高位需要用 0 填充,填充完后是 00100111,佔一個字節,如果用 16 位表示 就是 0000 0000 0010 0111佔用兩個字節。

我們一般口述的 32 位和 64位的計算機一般就指的是處理位數,32 位一次可以表示 4個字節,64位一次可以表示8個字節的二進制數。

我們一般在軟件開發中用十進制數表示的邏輯運算等,也會被計算機轉換為二進制數處理。對於二進制數,計算機不會區分他是 圖片、音頻文件還是数字,這些都是一些數據的結合體。

什麼是二進制數

那麼什麼是二進制數呢?為了說明這個問題,我們先把 00100111 這個數轉換為十進制數看一下,二進制數轉換為十進制數,直接將各位置上的值 * 位權即可,那麼我們將上面的數值進行轉換

也就是說,二進制數代表的 00100111 轉換成十進制就是 39,這個 39 並不是 3 和 9 兩個数字連着寫,而是 3 * 10 + 9 * 1,這裏面的 10 , 1 就是位權,以此類推,上述例子中的位權從高位到低位依次就是 7 6 5 4 3 2 1 0 。這個位權也叫做次冪,那麼最高位就是2的7次冪,2的6次冪 等等。二進制數的運算每次都會以2為底,這個2 指得就是基數,那麼十進制數的基數也就是 10 。在任何情況下位權的值都是 數的位數 – 1,那麼第一位的位權就是 1 – 1 = 0, 第二位的位權就睡 2 – 1 = 1,以此類推。

那麼我們所說的二進制數其實就是 用0和1兩個数字來表示的數,它的基數為2,它的數值就是每個數的位數 * 位權再求和得到的結果,我們一般來說數值指的就是十進制數,那麼它的數值就是 3 * 10 + 9 * 1 = 39。

移位運算和乘除的關係

在了解過二進制之後,下面我們來看一下二進制的運算,和十進制數一樣,加減乘除也適用於二進制數,只要注意逢 2 進位即可。二進制數的運算,也是計算機程序所特有的運算,因此了解二進制的運算是必須要掌握的。

首先我們來介紹移位 運算,移位運算是指將二進制的數值的各個位置上的元素坐左移和右移操作,見下圖

上述例子中還是以 39 為例,我們先把十進制的39 轉換為二進制的 0010 0111,然後向左移位 << 一個字節,也就變成了 0100 1110,那麼再把此二進制數轉換為十進制數就是上面的78, 十進制的78 竟然是 十進制39 的2倍關係。我們在讓 0010 0111 左移兩位,也就是 1001 1100,得出來的值是 156,相當於擴大了四倍!

因此你可以得出來此結論,左移相當於是數值擴大的操作,那麼右移 >> 呢?按理說右移應該是縮小 1/2,1/4 倍,但是39 縮小二倍和四倍不就變成小數了嗎?這個怎麼表示呢?請看下一節

便於計算機處理的補數

剛才我們沒有介紹右移的情況,是因為右移之後空出來的高位數值,有 0 和 1 兩種形式。要想區分什麼時候補0什麼時候補1,首先就需要掌握二進制數表示負數的方法。

二進制數中表示負數值時,一般會把最高位作為符號來使用,因此我們把這個最高位當作符號位。 符號位是 0 時表示正數,是 1 時表示 負數。那麼 -1 用二進制數該如何表示呢?可能很多人會這麼認為: 因為 1 的二進制數是 0000 0001,最高位是符號位,所以正確的表示 -1 應該是 1000 0001,但是這個答案真的對嗎?

計算機世界中是沒有減法的,計算機在做減法的時候其實就是在做加法,也就是用加法來實現的減法運算。比如 100 – 50 ,其實計算機來看的時候應該是 100 + (-50),為此,在表示負數的時候就要用到二進制補數,補數就是用正數來表示的負數。

為了獲得補數,我們需要將二進制的各數位的數值全部取反,然後再將結果 + 1 即可,先記住這個結論,下面我們來演示一下。

具體來說,就是需要先獲取某個數值的二進制數,然後對二進制數的每一位做取反操作(0 —> 1 , 1 —> 0),最後再對取反后的數 +1 ,這樣就完成了補數的獲取。

補數的獲取,雖然直觀上不易理解,但是邏輯上卻非常嚴謹,比如我們來看一下 1 – 1 的這個過程,我們先用上面的這個 1000 0001(它是1的補數,不知道的請看上文,正確性先不管,只是用來做一下計算)來表示一下

奇怪,1 – 1 會變成 130 ,而不是0,所以可以得出結論 1000 0001 表示 -1 是完全錯誤的。

那麼正確的該如何表示呢?其實我們上面已經給出結果了,那就是 1111 1111,來論證一下它的正確性

我們可以看到 1 – 1 其實實際上就是 1 + (-1),對 -1 進行上面的取反 + 1 后變為 1111 1111, 然後與 1 進行加法運算,得到的結果是九位的 1 0000 0000,結果發生了溢出,計算機會直接忽略掉溢出位,也就是直接拋掉 最高位 1 ,變為 0000 0000。也就是 0,結果正確,所以 1111 1111 表示的就是 -1 。

所以負數的二進製表示就是先求其補數,補數的求解過程就是對原始數值的二進制數各位取反,然後將結果 + 1

當然,結果不為 0 的運算同樣也可以通過補數求得正確的結果。不過,有一點需要注意,當運算結果為負的時候,計算結果的值也是以補數的形式出現的,比如 3 – 5 這個運算,來看一下解析過程

3 – 5 的運算,我們按着上面的思路來過一遍,計算出來的結果是 1111 1110,我們知道,這個數值肯定表示負數,但是負數無法直接用十進製表示,需要對其取反+ 1,算出來的結果是 2,因為 1111 1110的高位是 1,所以最終的結果是 -2。

編程語言的數據類型中,有的可以處理負數,有的不可以。比如 C語言中不能處理負數的 unsigned short類型,也有能處理負數的short類型 ,都是兩個字節的變量,它們都有 2 的十六次冪種值,但是取值範圍不一樣,short 類型的取值範圍是 -32768 – 32767 , unsigned short 的取值範圍是 0 – 65536。

仔細思考一下補數的機制,就能明白 -32768 比 32767 多一個數的原因了,最高位是 0 的正數有 0 ~ 32767 共 32768 個,其中包括0。最高位是 1 的負數,有 -1 ~ -32768 共 32768 個,其中不包含0。0 雖然既不是正數也不是負數,但是考慮到其符號位,就將其歸為了正數。

算數右移和邏輯右移的區別

在了解完補數后,我們重新考慮一下右移這個議題,右移在移位后空出來的最高位有兩種情況 0 和 1。當二進制數的值表示圖形模式而非數值時,移位后需要在最高位補0,類似於霓虹燈向右平移的效果,這就被稱為邏輯右移

將二進制數作為帶符號的數值進行右移運算時,移位后需要在最高位填充移位前符號位的值( 0 或 1)。這就被稱為算數右移。如果數值使用補數表示的負數值,那麼右移后在空出來的最高位補 1,就可以正確的表示 1/2,1/4,1/8等的數值運算。如果是正數,那麼直接在空出來的位置補 0 即可。

下面來看一個右移的例子。將 -4 右移兩位,來各自看一下移位示意圖

如上圖所示,在邏輯右移的情況下, -4 右移兩位會變成 63, 顯然不是它的 1/4,所以不能使用邏輯右移,那麼算數右移的情況下,右移兩位會變為 -1,顯然是它的 1/4,故而採用算數右移。

那麼我們可以得出來一個結論:左移時,無論是圖形還是數值,移位后,只需要將低位補 0 即可;右移時,需要根據情況判斷是邏輯右移還是算數右移。

下面介紹一下符號擴展:將數據進行符號擴展是為了產生一個位數加倍、但數值大小不變的結果,以滿足有些指令對操作數位數的要求,例如倍長於除數的被除數,再如將數據位數加長以減少計算過程中的誤差。

以8位二進製為例,符號擴展就是指在保持值不變的前提下將其轉換成為16位和32位的二進制數。將0111 1111這個正的 8位二進制數轉換成為 16位二進制數時,很容易就能夠得出0000 0000 0111 1111這個正確的結果,但是像 1111 1111這樣的補數來表示的數值,該如何處理?直接將其表示成為1111 1111 1111 1111就可以了。也就是說,不管正數還是補數表示的負數,只需要將 0 和 1 填充高位即可。

邏輯運算的竅門

掌握邏輯和運算的區別是:將二進制數表示的信息作為四則運算的數值來處理就是算數,像圖形那樣,將數值處理為單純的 01 的羅列就是邏輯

計算機能夠處理的運算,大體可分為邏輯運算和算數運算,算數運算指的是加減乘除四則運算;邏輯運算指的是對二進制各個數位的 0 和 1分別進行處理的運算,包括邏輯非(NOT運算)、邏輯與(AND運算)、邏輯或(OR運算)和邏輯異或(XOR運算)四種。

  • 邏輯非 指的是將 0 變成 1,1 變成 0 的取反操作
  • 邏輯與 指的是”兩個都是 1 時,運算結果才是 1,其他情況下是 0″
  • 邏輯或 指的是”至少有一方是 1 時,運算結果為 1,其他情況下運算結果都是 0″
  • 邏輯異或 指的是 “其中一方是 1,另一方是 0時運算結果才是 1,其他情況下是 0”

掌握邏輯運算的竅門,就是要摒棄二進制數表示數值這一個想法。大家不要把二進制數表示的值當作數值,應該把它看成是 開關上的 ON/OFF

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【asp.net core 系列】6 實戰之 一個項目的完整結構

0. 前言

在《asp.net core 系列》之前的幾篇文章中,我們簡單了解了路由、控制器以及視圖的關係以及靜態資源的引入,讓我們對於asp.net core mvc項目有了基本的認識。不過,這些並不是 asp.net core mvc項目的全部內容,剩下的內容我將結合實戰項目為大家講解其中的知識。現在,就讓我們開始吧。

1. 項目構建

拋開之前的項目,現在跟着我重新創建一個項目,第一步依舊是先創建一個解決方案:

dotnet new sln --name Template

我先介紹一下這個項目(指整個項目,不是單獨的asp.net core 應用),這是一個後台管理的模板應用,提供了常見後台系統(管理員端)的功能,包括員工管理、部門管理、角色管理等功能。

現在回到項目中,通常一個項目需要一個模型層,一個數據提供層以及web展示層。然後,我們依次創建 Data、Domain、Web 三個項目,其中Data和Domain 是 classlib,Web是mvc項目。

# 確保當前目錄與 Template.sln 處於相同的目錄
dotnet new classlib --name Data
dotnet new classlib --name Domain
dotnet new mvc --name Web

添加三個項目到解決方案中:

dotnet sln add Data
dotnet sln add Domain
dotnet sln add Web

因為Data 中存放着模型層,所以需要其他項目對它有一個引用:

cd Domain
dotnet add reference ../Data
cd ../Web
dotnet add reference ../Data

當然,實際開發中我們應當還有一個Service層,這一層用來存放業務代碼,減少控制器里不必要的業務代碼。那麼繼續:

# 回到項目的根目錄
cd ..
dotnet new classlib --name Service
dotnet sln add Service

然後添加Service的引用:

cd Service
dotnet add reference ../Data

將 Service的引用添加到Web里:

cd ../Web
dotnet add reference ../Service

現在一個大型工程基本都是面向接口編程,幾個關鍵層應當都是接口層,我們實際上還缺少Domain的實現層和Service的實現層。

cd ..
dotnet new classlib --name Domain.Implements
dotnet new classlib --name Service.Implements

在對應的實現層中,引入它們實現的接口層,並引入Data:

cd Domain.Implements
dotnet add reference ../Data
dotnet add reference ../Domain
cd ../Service.Implements
dotnet add reference ../Data
dotnet add reference ../Domain
dotnet add reference ../Service

這裡在Service的實現層添加Domain接口層的引用,而不是實現層的引用。這是因為面向接口編程,我們需要對Service實現層隱藏Domain的實現,所以對於Service的實現層來說,不需要關心Domain層的實現邏輯。

在Web中添加新建的兩個實現層的引用:

cd ../Web
dotnet add reference ../Domain.Implements
dotnet add reference ../Service.Implements

添加這兩個實現層到解決方案中:

cd ..
dotnet sln add Domain.Implements
dotnet sln add Service.Implements

下圖是到目前為止的項目結構圖:

整體而言,Data是各個層之間的數據流通依據,所以各個項目都依賴於此項目,各個接口層的實現層都只對Web可見,其他各層實際上並不清楚具體實現。

隱藏實現層有什麼好處呢?

  • 調用方不知道實現方的邏輯,避免調用方對特定實現的依賴
  • 有利於團隊協作,有的團隊是針對模塊劃分,有的是針對分層劃分,無論哪種,使用接口都是一個好的選擇
  • 有利於後期優化,可以很方便的切換實現層,而不用重新編譯過多的代碼

當然,並不只有這些好處,不過這樣有一個壞處,在web層調用service層時會更繁瑣,不過這也不是不可解決的,後續的內容中會為大家介紹如何解決這個煩惱。

2. 項目補充

通常情況下,一個完整的項目還會有一個工具類項目和一個測試項目。所以,繼續添加以下項目:

dotnet new classlib --name Utils

Utils 表示工具類,通常一個項目中工具類會比較多,所以就抽成了一個項目,單獨列出來。

添加測試項目:

dotnet new nunit --name Test

這裏使用的是nunit 3測試框架,當然還有另一個是xunit測試框架。

添加兩個項目到解決方案里:

dotnet sln add Utils
dotnet sln add Test

3. 總結

本章內容旨在通過創建項目,讓大家了解實際開發中項目的層級規劃思想,這並不代表我的就是最優的,只是這是我總結出來相對方便的層級關係。這裏並沒有講解如何通過Visual Studio或者Rider創建這樣的一個項目,我希望大夥能夠自己試試。

好了,希望大家能創建好項目,當然了後期我會給大家提供這個項目的源碼的,地址暫時保密哦。

更多內容煩請關注我的博客《高先生小屋》

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Netty源碼學習系列之4-ServerBootstrap的bind方法

前言

    今天研究ServerBootstrap的bind方法,該方法可以說是netty的重中之重、核心中的核心。前兩節的NioEventLoopGroup和ServerBootstrap的初始化就是為bind做準備。照例粘貼一下這個三朝元老的demo,開始本文內容。

 1 public class NettyDemo1 {
 2     // netty服務端的一般性寫法
 3     public static void main(String[] args) {
 4         EventLoopGroup boss = new NioEventLoopGroup(1);
 5         EventLoopGroup worker = new NioEventLoopGroup();
 6         try {
 7             ServerBootstrap bootstrap = new ServerBootstrap();
 8             bootstrap.group(boss, worker).channel(NioServerSocketChannel.class)
 9                     .option(ChannelOption.SO_BACKLOG, 100)
10                     .handler(new NettyServerHandler())
11                     .childHandler(new ChannelInitializer<SocketChannel>() {
12                         @Override
13                         protected void initChannel(SocketChannel socketChannel) throws Exception {
14                             ChannelPipeline pipeline = socketChannel.pipeline();
15                             pipeline.addLast(new StringDecoder());
16                             pipeline.addLast(new StringEncoder());
17                             pipeline.addLast(new NettyServerHandler());
18                         }
19                     });
20             ChannelFuture channelFuture = bootstrap.bind(90);
21             channelFuture.channel().closeFuture().sync();
22         } catch (Exception e) {
23             e.printStackTrace();
24         } finally {
25             boss.shutdownGracefully();
26             worker.shutdownGracefully();
27         }
28     }
29 }

 

一、bind及doBind方法

1.ServerBootstrap.bind方法

    該方法有多個重載方法,但核心作用只有一個,就是將參數轉為InetSocketAddress對象傳給 —>

1 public ChannelFuture bind(int inetPort) {
2         return bind(new InetSocketAddress(inetPort));
3     }
1 public ChannelFuture bind(String inetHost, int inetPort) {
2         return bind(SocketUtils.socketAddress(inetHost, inetPort));
3     }
1 public ChannelFuture bind(InetAddress inetHost, int inetPort) {
2         return bind(new InetSocketAddress(inetHost, inetPort));
3     }

    下面這個bind方法,在該方法中調用了doBind方法。

1 public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress) {
2         validate();
3         return doBind(ObjectUtil.checkNotNull(localAddress, "localAddress"));
4     }

2、ServerBootstrap的doBind方法

    doBind方法位於父類AbstractBootstrap中,它有兩大功能,均在下面代碼中標識了出來,它們分別對應通過原生nio進行server端初始化時的兩個功能,第1步對應將channel註冊到selector上;第2步對應將server地址綁定到channel上。

 1 private ChannelFuture doBind(final SocketAddress localAddress) {
 2         final ChannelFuture regFuture = initAndRegister(); // 1)、初始化和註冊,重要***
 3         final Channel channel = regFuture.channel();
 4         if (regFuture.cause() != null) {
 5             return regFuture;
 6         }
 7 
 8         if (regFuture.isDone()) {
 9             // At this point we know that the registration was complete and successful.
10             ChannelPromise promise = channel.newPromise();
11             doBind0(regFuture, channel, localAddress, promise); // 2)、將SocketAddress和channel綁定起來,最終執行的是nio中的功能,重要**
12             return promise;
13         } else {
14             // 省略異常判斷、添加監聽器和異步調用doBind0方法
15         }
16     }

    為方便關聯對照,下面再粘貼一個簡單的原生NIO編程的服務端初始化方法,其實doBind方法的邏輯基本就是對下面這個方法的封裝,只是增加了很多附加功能。

    因為上述兩步都有些複雜,所以此處分兩部分進行追蹤。

二、AbstractBootstrap的initAndRegister方法

     該方法代碼如下所示,一共有三個核心方法,邏輯比較清晰,將channel new出來,初始化它,然後註冊到selector上。下面我們各個擊破。

 1 final ChannelFuture initAndRegister() {
 2         Channel channel = null;
 3         try { // 1)、實例化channel,作為服務端初始化的是NioServerSocketChannel
 4             channel = channelFactory.newChannel();
 5             init(channel); // 2)、初始化channel,即給channel中的屬性賦值
 6         } catch (Throwable t) {
 7             if (channel != null) {
 8                 channel.unsafe().closeForcibly();
 9                 return new DefaultChannelPromise(channel, GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
10             }
11             return new DefaultChannelPromise(new FailedChannel(), GlobalEventExecutor.INSTANCE).setFailure(t);
12         }
13         // 3)、註冊,即最終是將channel 註冊到selector上
14         ChannelFuture regFuture = config().group().register(channel);
15         if (regFuture.cause() != null) {
16             if (channel.isRegistered()) {
17                 channel.close();
18             } else {
19                 channel.unsafe().closeForcibly();
20             }
21         }
22         return regFuture;
23     }

1、channelFactory.newChannel()方法

1 @Override
2     public T newChannel() {
3         try {
4             return constructor.newInstance();
5         } catch (Throwable t) {
6             throw new ChannelException("Unable to create Channel from class " + constructor.getDeclaringClass(), t);
7         }
8     }

    該方法完成了channel的實例化,channelFactory的賦值可參見上一篇博文【Netty源碼學習系列之3-ServerBootstrap的初始化】(地址 https://www.cnblogs.com/zzq6032010/p/13027161.html),對服務端來說,這裏channelFactory值為ReflectiveChannelFactory,且其內部的constructor是NioServerSocketChannel的無參構造器,下面追蹤NioServerSocketChannel的無參構造方法。

1.1)、new NioServerSocketChannel()

1 public NioServerSocketChannel() {
2         this(newSocket(DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER));
3     }
 1 private static final SelectorProvider DEFAULT_SELECTOR_PROVIDER = SelectorProvider.provider();
 2 
 3 private static ServerSocketChannel newSocket(SelectorProvider provider) {
 4         try {
 5             return provider.openServerSocketChannel();
 6         } catch (IOException e) {
 7             throw new ChannelException(
 8                     "Failed to open a server socket.", e);
 9         }
10     }

    可見,它先通過newSocket方法獲取nio原生的ServerSocketChannel,然後傳給了重載構造器,如下,其中第三行是對NioServerSocketChannelConfig  config進行了賦值,邏輯比較簡單,下面主要看對父類構造方法的調用。

1 public NioServerSocketChannel(ServerSocketChannel channel) {
2         super(null, channel, SelectionKey.OP_ACCEPT);
3         config = new NioServerSocketChannelConfig(this, javaChannel().socket());
4     }

1.2)、對NioServerSocketChannel父類構造方法的調用

 1 protected AbstractNioChannel(Channel parent, SelectableChannel ch, int readInterestOp) {
 2         super(parent);
 3         this.ch = ch;
 4         this.readInterestOp = readInterestOp;
 5         try {
 6             ch.configureBlocking(false);
 7         } catch (IOException e) {
 8             try {
 9                 ch.close();
10             } catch (IOException e2) {
11                 if (logger.isWarnEnabled()) {
12                     logger.warn(
13                             "Failed to close a partially initialized socket.", e2);
14                 }
15             }
16 
17             throw new ChannelException("Failed to enter non-blocking mode.", e);
18         }
19     }

    中間經過了AbstractNioMessageChannel,然後調到下面AbstractNioChannel的構造方法。此時parent為null,ch為上面獲取到的nio原生ServerSocketChannel,readInterestOp為SelectionKey的Accept事件(值為16)。可以看到,將原生渠道ch賦值、感興趣的事件readInterestOp賦值、設置非阻塞。然後重點看對父類構造器的調用。

1.3)、AbstractChannel構造器

1 protected AbstractChannel(Channel parent) {
2         this.parent = parent;
3         id = newId();
4         unsafe = newUnsafe();
5         pipeline = newChannelPipeline();
6     }

    可以看到,此構造方法只是給四個屬性進行了賦值,我們挨個看下這四個屬性。

    第一個屬性是this.parent,類型為io.netty.channel.Channel,但此時值為null;

    第二個屬性id類型為io.netty.channel.ChannelId,就是一個id生成器,值為new DefaultChannelId();

    第三個屬性unsafe類型為io.netty.channel.Channel.Unsafe,該屬性很重要,封裝了對事件的處理邏輯,最終調用的是AbstractNioMessageChannel中的newUnsafe方法,賦的值為new NioMessageUnsafe();

    第四個屬性pipeline類型為io.netty.channel.DefaultChannelPipeline,該屬性很重要,封裝了handler處理器的邏輯,賦的值為 new DefaultChannelPipeline(this)  this即當前的NioServerSocketChannel對象。

    其中DefaultChannelPipeline的構造器需要額外看一下,如下,將NioServerSocketChannel對象存入channel屬性,然後初始化了tail、head兩個成員變量,且對應的前後指針指向對方。TailContext和HeadContext都繼承了AbstractChannelHandlerContext,在這個父類裏面維護了next和prev兩個雙向指針,看到這裡有經驗的園友應該一下子就能看出來,DefaultChannelPipeline內部維護了一個雙向鏈表。

 1 protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
 2         this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
 3         succeededFuture = new SucceededChannelFuture(channel, null);
 4         voidPromise =  new VoidChannelPromise(channel, true);
 5 
 6         tail = new TailContext(this);
 7         head = new HeadContext(this);
 8 
 9         head.next = tail;
10         tail.prev = head;
11     }

 

     至此,完成了上面initAndRegister方法中的第一個功能:channel的實例化。此時NioServerSocketChannel的幾個父類屬性快照圖如下所示:

 

2、init(channel)方法

    init(channel)方法位於ServerBootstrap中(因為這裡是通過ServerBootstrap過來的,如果是通過Bootstrap進入的這裏則調用的就是Bootstrap中的init方法),主要功能如下註釋所示。本質都是針對channel進行初始化,初始化channel中的option、attr和pipeline。

 1 void init(Channel channel) throws Exception {
 2         // 1、獲取AbstractBootstrap中的options屬性,與channel進行關聯
 3         final Map<ChannelOption<?>, Object> options = options0();
 4         synchronized (options) {
 5             setChannelOptions(channel, options, logger);
 6         }
 7         // 2、獲取AbstractBootstrap中的attr屬性,與channel關聯起來
 8         final Map<AttributeKey<?>, Object> attrs = attrs0();
 9         synchronized (attrs) {
10             for (Entry<AttributeKey<?>, Object> e: attrs.entrySet()) {
11                 @SuppressWarnings("unchecked")
12                 AttributeKey<Object> key = (AttributeKey<Object>) e.getKey();
13                 channel.attr(key).set(e.getValue());
14             }
15         }
16         // 3、獲取pipeline,並將一個匿名handler對象添加進去,重要***
17         ChannelPipeline p = channel.pipeline();
18         final EventLoopGroup currentChildGroup = childGroup;
19         final ChannelHandler currentChildHandler = childHandler;
20         final Entry<ChannelOption<?>, Object>[] currentChildOptions;
21         final Entry<AttributeKey<?>, Object>[] currentChildAttrs;
22         synchronized (childOptions) {
23             currentChildOptions = childOptions.entrySet().toArray(newOptionArray(0));
24         }
25         synchronized (childAttrs) {
26             currentChildAttrs = childAttrs.entrySet().toArray(newAttrArray(0));
27         }
28         p.addLast(new ChannelInitializer<Channel>() {
29             @Override
30             public void initChannel(final Channel ch) throws Exception {
31                 final ChannelPipeline pipeline = ch.pipeline();
32                 ChannelHandler handler = config.handler();
33                 if (handler != null) {
34                     pipeline.addLast(handler);
35                 }
36 
37                 ch.eventLoop().execute(new Runnable() {
38                     @Override
39                     public void run() {
40                         pipeline.addLast(new ServerBootstrapAcceptor(
41                                 ch, currentChildGroup, currentChildHandler, currentChildOptions, currentChildAttrs));
42                     }
43                 });
44             }
45         });
46     }

    1跟2的功能都比較容易理解,功能3是init的核心,雖然代碼不少但很容易理解,它就是往channel中的pipeline里添加了一個匿名handler對象,其initChannel方法只有在有客戶端連接接入時才會調用,initChannel方法的功能是什麼呢?可以看到,它就是往入參channel中的eventLoop里添加了一個任務,這個任務的功能就是往pipeline中再添加一個handler,最後添加的這個handler就不是匿名的了,它是ServerBootstrapAcceptor對象。因為這裏的initChannel方法和後面的run方法都是有客戶端接入時才會調用的,所以這裏只是提一下,後面會詳述。至此完成init方法,下面進入register。

3、config().group().register(channel)方法

 3.1)、config().group()方法

    由前面可以知道,config().group().register(channel)這行代碼位於AbstractBootstrap類中的initAndRegister方法中,但由於當前對象是ServerBootstrap,故此處config()方法實際調用的都是ServerBootstrap中重寫的方法,得到了ServerBootstrapConfig。

    ServerBootstrapConfig的group方法如下,調用的是它的父類AbstractBootstrapConfig中的方法。通過類名就能知道,ServerBootstrapConfig中的方法是獲取ServerBootstrap中的屬性,而AbstractBootstrapConfig中的方法是獲取AbstractBootstrap中的屬性,兩兩對應。故此處獲取的EventLoopGroup就是AbstractBootstrap中存放的group,即文章開頭demo中的boss對象。

1 public final EventLoopGroup group() {
2         return bootstrap.group();
3     }

    獲取到了名叫boss的這個NioEventLoopGroup對象,下面追蹤NioEventLoopGroup.register(channel)方法

3.2)、 NioEventLoopGroup.register(channel)方法

    該方法是對之前初始化屬性的應用,需結合NioEventLoopGroup的初始化流程看,詳見【Netty源碼學習系列之2-NioEventLoopGroup的初始化】(鏈接【https://www.cnblogs.com/zzq6032010/p/12872989.html】)一文,此處就不贅述了,下面把該類的繼承類圖粘貼出來,以便有個整體認識。

 

3.2.1)、next()方法 

    下面的register方法位於MultithreadEventLoopGroup類中,是NioEventLoopGroup的直接父類,如下:

1 public ChannelFuture register(Channel channel) {
2         return next().register(channel);
3     }

    next方法如下,調用了父類的next方法,下面的就是父類MultithreadEventExecutorGroup中的next實現,可以看到調用的是chooser的next方法。通過初始化流程可知,此處boss的線程數是1,是2的n次方,所以chooser就是PowerOfTwoEventExecutorChooser,通過next方法從EventExecutor[]中選擇一個對象。需要注意的是chooser.next()通過輪詢的方式選擇的對象。

1 public EventLoop next() {
2         return (EventLoop) super.next();
3     }
1 public EventExecutor next() {
2         return chooser.next();
3     }

3.2.2)、NioEventLoop.register方法

    next之後是register方法,中間將NioServerSocketChannel和當前的NioEventLoop封裝成一個DefaultChannelPromise對象往下傳遞,在下面第二個register方法中可以看到,實際上調用的是NioServerSocketChannel中的unsafe屬性的register方法。

1 public ChannelFuture register(Channel channel) {
2         return register(new DefaultChannelPromise(channel, this));
3     }
1 public ChannelFuture register(final ChannelPromise promise) {
2         ObjectUtil.checkNotNull(promise, "promise");
3         promise.channel().unsafe().register(this, promise);
4         return promise;
5     }

3.2.3)、NioMessageUnsafe的register方法

    通過本文第一部分中第1步中的1.3)可以知道,NioServerSocketChannel中的unsafe是NioMessageUnsafe對象,下面繼續追蹤其register方法:

 1 public final void register(EventLoop eventLoop, final ChannelPromise promise) {
 2             if (eventLoop == null) {// 判斷非空
 3                 throw new NullPointerException("eventLoop");
 4             }
 5             if (isRegistered()) {// 判斷是否註冊
 6                 promise.setFailure(new IllegalStateException("registered to an event loop already"));
 7                 return;
 8             }
 9             if (!isCompatible(eventLoop)) {// 判斷eventLoop類型是否匹配
10                 promise.setFailure(
11                         new IllegalStateException("incompatible event loop type: " + eventLoop.getClass().getName()));
12                 return;
13             }
14        // 完成eventLoop屬性的賦值
15             AbstractChannel.this.eventLoop = eventLoop;
16             // 判斷eventLoop中的Reactor線程是不是當前線程 ***重要1
17             if (eventLoop.inEventLoop()) {
18                 register0(promise); // 進行註冊
19             } else {
20                 try {// 不是當前線程則將register0任務放入eventLoop隊列中讓Reactor線程執行(如果Reactor線程未初始化還要將其初始化) ***重要2
21                     eventLoop.execute(new Runnable() {
22                         @Override
23                         public void run() {
24                             register0(promise);// 註冊邏輯 ***重要3
25                         }
26                     });
27                 } catch (Throwable t) {
28                     // 省略異常處理
29                 }
30             }
31         }

    該方法位於io.netty.channel.AbstractChannel.AbstractUnsafe中(它是NioMessageUnsafe的父類),根據註釋能了解每一步做了什麼,但如果要理解代碼邏輯意圖則需要結合netty的串行無鎖化(串行無鎖化參見博主的netty系列第一篇文章https://www.cnblogs.com/zzq6032010/p/12872993.html)。它實際就是讓每一個NioEventLoop對象的thread屬性記錄一條線程,用來循環執行NioEventLoop的run方法,後續這個channel上的所有事件都由這一條線程來執行,如果當前線程不是Reactor線程,則會將任務放入隊列中,Reactor線程會不斷從隊列中獲取任務執行。這樣以來,所有事件都由一條線程順序處理,線程安全,也就不需要加鎖了。

    說完整體思路,再來結合代碼看看。上述代碼中標識【***重要1】的地方就是通過inEventLoop方法判斷eventLoop中的thread屬性記錄的線程是不是當前線程:

    先調到父類AbstractEventExecutor中,獲取了當前線程:

1 public boolean inEventLoop() {
2         return inEventLoop(Thread.currentThread());
3     }

    然後調到SingleThreadEventExecutor類中的方法,如下,比對thread與當前線程是否是同一個:

1 public boolean inEventLoop(Thread thread) {
2         return thread == this.thread;
3     }

    此時thread未初始化,所以肯定返回false,則進入【***重點2】的邏輯,將register放入run方法中封裝成一個Runnable任務,然後執行execute方法,如下,該方法位於SingleThreadEventExecutor中:

 1 public void execute(Runnable task) {
 2         if (task == null) {
 3             throw new NullPointerException("task");
 4         }
 5 
 6         boolean inEventLoop = inEventLoop();
 7         addTask(task); //將任務放入隊列中 ***重要a
 8         if (!inEventLoop) {
 9             startThread(); //判斷當前線程不是thread線程,則調用該方法 ***重要b
10             if (isShutdown()) {
11                 boolean reject = false;
12                 try {
13                     if (removeTask(task)) {
14                         reject = true;
15                     }
16                 } catch (UnsupportedOperationException e) {
17                     // 省略註釋
18                 }
19                 if (reject) {
20                     reject();
21                 }
22             }
23         }
24 
25         if (!addTaskWakesUp && wakesUpForTask(task)) {
26             wakeup(inEventLoop);
27         }
28     }

    有兩個重要的邏輯,已經在上面代碼中標出,先看看【***重要a】,如下,可見最終就是往SingleThreadEventExecutor的taskQueue隊列中添加了一個任務,如果添加失敗則調reject方法執行拒絕策略,通過前文分析可以知道,此處的拒絕策略就是直接拋錯。

1 protected void addTask(Runnable task) {
2         if (task == null) {
3             throw new NullPointerException("task");
4         }
5         if (!offerTask(task)) {
6             reject(task);
7         }
8     }
1 final boolean offerTask(Runnable task) {
2         if (isShutdown()) {
3             reject();
4         }
5         return taskQueue.offer(task);
6     }

    然後在看【***重要b】,如下,該方法雖然叫startThread,但內部有控制,不能無腦開啟線程,因為調這個方法的時候會有兩種情況:1).thread變量為空;2).thread不為空且不是當前線程。第一種情況需要開啟新的線程,但第二種情況就不能直接創建線程了。所以看下面代碼可以發現,它內部通過CAS+volatile(state屬性加了volatile修飾)實現的開啟線程的原子控制,保證多線程情況下也只會有一個線程進入doStartThread()方法。

 1 private void startThread() {
 2         if (state == ST_NOT_STARTED) {
 3             if (STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_NOT_STARTED, ST_STARTED)) {
 4                 boolean success = false;
 5                 try {
 6                     doStartThread();
 7                     success = true;
 8                 } finally {
 9                     if (!success) {
10                         STATE_UPDATER.compareAndSet(this, ST_STARTED, ST_NOT_STARTED);
11                     }
12                 }
13             }
14         }
15     }

    繼續往下看一下doStartThread()的方法邏輯:

 1 private void doStartThread() {
 2         assert thread == null;
 3         executor.execute(new Runnable() { //此處的executor內部執行的就是ThreadPerTaskExecutor的execute邏輯,創建一個新線程運行下面的run方法
 4             @Override
 5             public void run() {
 6                 thread = Thread.currentThread(); //將Reactor線程記錄到thread變量中,保證一個NioEventLoop只有一個主線程在運行
 7                 if (interrupted) {
 8                     thread.interrupt();
 9                 }
10 
11                 boolean success = false;
12                 updateLastExecutionTime();
13                 try {
14                     SingleThreadEventExecutor.this.run(); //調用當前對象的run方法,該run方法就是Reactor線程的核心邏輯方法,後面會重點研究
15                     success = true;
16                 } catch (Throwable t) {
17                     logger.warn("Unexpected exception from an event executor: ", t);
18                 } finally {
19                    // 省略無關邏輯
20                 }
21             }
22         });
23     }

    可以看到,在上面的方法中完成了Reactor線程thread的賦值和核心邏輯NioEventLoop中run方法的啟動。這個run方法啟動后,第一步做的事情是什麼?讓我們往前回溯,回到3.2.3),當然是執行當初封裝了 register0方法的那個run方法的任務,即執行register0方法,下面填之前埋得坑,對【***重要3】進行追蹤:

 1 private void register0(ChannelPromise promise) {
 2             try {
 3                 // 省略判斷邏輯
 4                 boolean firstRegistration = neverRegistered;
 5                 doRegister();// 執行註冊邏輯
 6                 neverRegistered = false;
 7                 registered = true;
 8                 pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded();// 調用pipeline的邏輯
 9 
10                 safeSetSuccess(promise);
11                 pipeline.fireChannelRegistered();
12                 // 省略無關邏輯
13             } catch (Throwable t) {
14                 // 省略異常處理
15             }
16         }

    doRegister()方法的實現在AbstractNioChannel中,如下,就是完成了nio中的註冊,將nio的ServerSocketChannel註冊到selector上:

 1 protected void doRegister() throws Exception {
 2         boolean selected = false;
 3         for (;;) {
 4             try {
 5                 selectionKey = javaChannel().register(eventLoop().unwrappedSelector(), 0, this);
 6                 return;
 7             } catch (CancelledKeyException e) {
 8                // 省略異常處理
 9             }
10         }
11     }

    再看pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法,該方法調用鏈路比較長,此處就不詳細粘貼了,只是說一下流程。回顧下上面第二部分的第2步,在裏面最後addLast了一個匿名的內部對象,重寫了initChannel方法,此處通過pipeline.invokeHandlerAddedIfNeeded()方法就會調用到這個匿名對象的initChannel方法(只有第一次註冊時才會調),該方法往pipeline中又添加了一個ServerBootstrapAcceptor對象。執行完方法后,netty會在finally中將之前那個匿名內部對象給remove掉,這時pipeline中的handler如下所示:

 

     至此,算是基本完成了initAndRegister方法的邏輯,當然限於篇幅(本篇已經夠長了),其中還有很多細節性的處理未提及。

 

三、AbstractBootstrap的doBind0方法

     doBind0方法邏輯如下所示,new了一個Runnable任務交給Reactor線程執行,execute執行過程已經分析過了,此處不再贅述,集中下所剩無幾的精力看下run方法中的bind邏輯。

 1 private static void doBind0(
 2             final ChannelFuture regFuture, final Channel channel,
 3             final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
 4 
 5         channel.eventLoop().execute(new Runnable() {
 6             @Override
 7             public void run() {
 8                 if (regFuture.isSuccess()) {
 9                     channel.bind(localAddress, promise).addListener(ChannelFutureListener.CLOSE_ON_FAILURE);
10                 } else {
11                     promise.setFailure(regFuture.cause());
12                 }
13             }
14         });
15     }

    channel.bind方法,如下:

1 public ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
2         return pipeline.bind(localAddress, promise);
3     }

    調用了pipeline的bind方法:

1 public final ChannelFuture bind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
2         return tail.bind(localAddress, promise);
3     }

    tail.bind方法:

 1 public ChannelFuture bind(final SocketAddress localAddress, final ChannelPromise promise) {
 2         if (localAddress == null) {
 3             throw new NullPointerException("localAddress");
 4         }
 5         if (isNotValidPromise(promise, false)) {
 6             // cancelled
 7             return promise;
 8         }
 9         // 從tail開始往前,找到第一個outbond的handler,這時只有head滿足要求,故此處next是head
10         final AbstractChannelHandlerContext next = findContextOutbound(MASK_BIND);
11         EventExecutor executor = next.executor();
12         if (executor.inEventLoop()) {// 因為當前線程就是executor中的Reactor線程,所以直接進入invokeBind方法
13             next.invokeBind(localAddress, promise);
14         } else {
15             safeExecute(executor, new Runnable() {
16                 @Override
17                 public void run() {
18                     next.invokeBind(localAddress, promise);
19                 }
20             }, promise, null);
21         }
22         return promise;
23     }

    下面進入head.invokeBind方法:

 1 private void invokeBind(SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
 2         if (invokeHandler()) {
 3             try {
 4                 ((ChannelOutboundHandler) handler()).bind(this, localAddress, promise);
 5             } catch (Throwable t) {
 6                 notifyOutboundHandlerException(t, promise);
 7             }
 8         } else {
 9             bind(localAddress, promise);
10         }
11     }

    核心邏輯就是handler.bind方法,繼續追蹤:

1 public void bind(
2                 ChannelHandlerContext ctx, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) {
3             unsafe.bind(localAddress, promise);
4         }

    此處的unsafe是NioMessageUnsafe,繼續追蹤會看到在bind方法中又調用了NioServerSocketChannel中的doBind方法,最終在這裏完成了nio原生ServerSocketChannel和address的綁定:

1 protected void doBind(SocketAddress localAddress) throws Exception {
2         if (PlatformDependent.javaVersion() >= 7) {
3             javaChannel().bind(localAddress, config.getBacklog());
4         } else {
5             javaChannel().socket().bind(localAddress, config.getBacklog());
6         }
7     }

    至此,ServerBootstrap的bind方法完成。

 

小結

    本文從頭到尾追溯了ServerBootstrap中bind方法的邏輯,將前面netty系列中的二、三兩篇初始化給串聯了起來,是承上啟下的一個位置。後面的netty系列將圍繞本文中啟動的NioEventLoop.run方法展開,可以這麼說,本文跟前面的三篇只是為run方法的出現做的一個鋪墊,run方法才是核心功能的邏輯所在。

    本文斷斷續續更新了一周,今天才完成,也沒想到會這麼長,就這樣吧,後面繼續netty run方法的學習。

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火雞群感染高病原性H7N3 美國農業部:沒有傳染人類案例

摘錄自2020年4月26日ETtoday報導

繼2017年後出現H7N3首例!美國農業部(United States Department of Agriculture,USDA)在9日證實,在南卡羅萊納州(Carolina)的(Chesterfield)市,發現有火雞感染H7N3高病原性(HPAI)禽流感病毒,目前該區域已經下令封鎖,並隔離相關禽類,以確保不進入人類或動物的口中。

根據美國農業部公告,H7N3目前「沒有任何人類感染案例」,因此沒有立即性的健康疑慮,但是為了以防萬一,建議在烹調家禽與雞蛋時應以165˚F(約74℃)溫度殺死病毒與細菌。

根據世界動物衛生組織(OIE)規範,如果「4-8週齡的雞感染後死亡率達75%」即「高病原性禽流感」,通常出現在H5、H7型上。人類如果感染禽流感,可能出現高燒、呼吸急促等症狀,由甲型禽流感(如H5N1、H5N6、H7N9和H10N8病毒)引起的症狀比一般流感嚴重,大多數患者須住院治療。

生活環境
永續發展
土地利用
國際新聞
美國
火雞
禽流感
公共衛生
經濟動物
動物福利
糧食

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南極地區首次發現青蛙化石碎片

摘錄自2020年4月27日俄羅斯衛星通訊社報導

根據發表在《Scientific Reports》期刊的研究報告,科研人員在南極半島北端的西莫爾島發現了數塊青蛙的頭骨和部分髖骨化石碎片,這種古老的生物是南美地區現代頭盔蛙科的近親。

這一的發現讓科學家對南極大陸的古代氣候有了新的認識。這些化石碎片距今約4000萬年,頭骨形狀可以看出這隻青蛙屬於頭盔蛙科。頭盔蛙科現生種生活在南美安第斯山脈中部的溫暖潮濕山谷中。這表明,至少4000萬年前,南極洲地區也是類似的氣候。

這一發現改變了科學家對南極大陸氣候變化的認識。大多數科學家認為,大約4000萬年前,南極洲與澳洲大陸分離後迅速被冰層覆蓋。但是一些證據表明,在南極大陸與南半球其他現代大陸完全分離前,南極洲冰蓋就已經開始形成。

生態保育
物種保育
生物多樣性
國際新聞
南極
古生物學
化石
青蛙
兩棲類
南極

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動物、人與環境健康一體的紓困方案 聯合國科學家提三點呼籲

整理:鄒敏惠(環境資訊中心記者)

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設計模式系列之建造者模式(Builder Pattern)——複雜對象的組裝與創建

說明:設計模式系列文章是讀劉偉所著《設計模式的藝術之道(軟件開發人員內功修鍊之道)》一書的閱讀筆記。個人感覺這本書講的不錯,有興趣推薦讀一讀。詳細內容也可以看看此書作者的博客https://blog.csdn.net/LoveLion/article/details/17517213

模式概述

模式定義

沒有人買車會只買一個輪胎或者方向盤,大家買的都是一輛包含輪胎、方向盤和發動機等多個部件的完整汽車。如何將這些部件組裝成一輛完整的汽車並返回給用戶,這是建造者模式需要解決的問題。建造者模式又稱為生成器模式,它是一種較為複雜、使用頻率也相對較低的創建型模式。建造者模式為客戶端返回的不是一個簡單的產品,而是一個由多個部件組成的複雜產品。

它將客戶端與包含多個組成部分(或部件)的複雜對象的創建過程分離,客戶端無須知道複雜對象的內部組成部分與裝配方式,只需要知道所需建造者的類型即可。它關注如何一步一步創建一個的複雜對象,不同的具體建造者定義了不同的創建過程,且具體建造者相互獨立,增加新的建造者非常方便,無須修改已有代碼,系統具有較好的擴展性。

建造者模式(Builder Pattern):將一個複雜對象的構建與它的表示分離,使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。建造者模式是一種對象創建型模式。

建造者模式一步一步創建一個複雜的對象,它允許用戶只通過指定複雜對象的類型和內容就可以構建它們,用戶不需要知道內部的具體構建細節。

模式結構圖

建造者模式結構圖如下所示:

建造者模式結構圖中包含如下幾個角色:

  • Builder(抽象建造者):它為創建一個產品Product對象的各個部件指定抽象接口,在該接口中一般聲明兩類方法,一類方法是buildPartX(),它們用於創建複雜對象的各個部件;另一類方法是getResult(),它們用於返回複雜對象。Builder既可以是抽象類,也可以是接口。

  • ConcreteBuilder(具體建造者):它實現了Builder接口,實現各個部件的具體構造和裝配方法,定義並明確它所創建的複雜對象,也可以提供一個方法返回創建好的複雜產品對象。

  • Product(產品角色):它是被構建的複雜對象,包含多個組成部件,具體建造者創建該產品的內部表示並定義它的裝配過程。

  • Director(指揮者):指揮者又稱為導演類,它負責安排複雜對象的建造次序,指揮者與抽象建造者之間存在關聯關係,可以在其construct()建造方法中調用建造者對象的部件構造與裝配方法,完成複雜對象的建造。客戶端一般只需要與指揮者進行交互,在客戶端確定具體建造者的類型,並實例化具體建造者對象(也可以通過配置文件和反射機制),然後通過指揮者類的構造函數或者Setter方法將該對象傳入指揮者類中。

在建造者模式的定義中提到了複雜對象,那麼什麼是複雜對象?簡單來說,複雜對象是指那些包含多個非簡單類型的成員屬性,這些成員屬性也稱為部件或零件,如汽車包括方向盤、發動機、輪胎等部件,电子郵件包括髮件人、收件人、主題、內容、附件等部件。

模式偽代碼

定義產品角色,典型代碼如下:

public class Product {
    // 定義部件,部件可以是任意類型,包括值類型和引用類型
    private String partA;

    private String partB;

    private String partC;

    // getter、setter方法省略
}

抽象建造者中定義了產品的創建方法和返回方法,其典型代碼如下

public abstract class Builder {
    // 創建產品對象
    protected Product product = new Product();

    public abstract void buildPartA();

    public abstract void buildPartB();

    public abstract void buildPartC();

    // 返回產品對象
    public Product getResult() {
        return product;
    }
}

在抽象類Builder中聲明了一系列抽象的buildPartX()方法用於創建複雜產品的各個部件,具體建造過程在ConcreteBuilder中實現,此外還提供了工廠方法getResult(),用於返回一個建造好的完整產品。

ConcreteBuilder中實現了buildPartX()方法,通過調用ProductsetPartX()方法可以給產品對象的成員屬性設值。不同的具體建造者在實現buildPartX()方法時將有所區別。

在建造者模式的結構中還引入了一個指揮者類Director,該類主要有兩個作用:一方面它隔離了客戶與創建過程;另一方面它控制產品的創建過程,包括某個buildPartX()方法是否被調用以及多個buildPartX()方法調用的先後次序等。指揮者針對抽象建造者編程,客戶端只需要知道具體建造者的類型,即可通過指揮者類調用建造者的相關方法,返回一個完整的產品對象。在實際生活中也存在類似指揮者一樣的角色,如一個客戶去購買電腦,電腦銷售人員相當於指揮者,只要客戶確定電腦的類型,電腦銷售人員可以通知電腦組裝人員給客戶組裝一台電腦。指揮者類的代碼示例如下:

public class Director {

    private Builder builder;

    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }

    public void setBuilder(Builder builder) {
        this.builder = builer;
    }

    //產品構建與組裝方法
    public Product construct() {

        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();

        return builder.getResult();
    }
}

在指揮者類中可以注入一個抽象建造者類型的對象,其核心在於提供了一個建造方法construct(),在該方法中調用了builder對象的構造部件的方法,最後返回一個產品對象。

對於客戶端而言,只需關心具體的建造者即可,代碼片段如下所示:

public static void main(String[] args) {
    Builder builder = new ConcreteBuilder();

    Director director = new Director(builder);

    Product product = director.construct();
}

模式簡化

在有些情況下,為了簡化系統結構,可以將Director和抽象建造者Builder進行合併,在Builder中提供逐步構建複雜產品對象的construct()方法。

public abstract class Builder {
    // 創建產品對象
    protected Product product = new Product();

    public abstract void buildPartA();

    public abstract void buildPartB();

    public abstract void buildPartC();

    // 返回產品對象
    public Product construct() {
        buildPartA();
        buildPartB();
        buildPartC();
        return product;
    }
}

模式應用

模式在JDK中的應用

java.util.stream.Stream.Builder

public interface Builder<T> extends Consumer<T> {
    /**
     * Adds an element to the stream being built.
     */
    default Builder<T> add(T t) {
        accept(t);
        return this;
    }

    /**
     * Builds the stream, transitioning this builder to the built state
     */
    Stream<T> build();
}

模式在開源項目中的應用

看下Spring是如何構建org.springframework.web.servlet.mvc.method.RequestMappingInfo

/**
 * Defines a builder for creating a RequestMappingInfo.
 * @since 4.2
 */
public interface Builder {
  /**
   * Set the path patterns.
   */
  Builder paths(String... paths);

  /**
   * Set the request method conditions.
   */
  Builder methods(RequestMethod... methods);

  /**
   * Set the request param conditions.
   */
  Builder params(String... params);

  /**
   * Set the header conditions.
   * <p>By default this is not set.
   */
  Builder headers(String... headers);

  /**
   * Build the RequestMappingInfo.
   */
  RequestMappingInfo build();
}

Builder接口的默認實現,如下:

private static class DefaultBuilder implements Builder {

  private String[] paths = new String[0];

  private RequestMethod[] methods = new RequestMethod[0];

  private String[] params = new String[0];

  private String[] headers = new String[0];

  public DefaultBuilder(String... paths) {
    this.paths = paths;
  }

  @Override
  public Builder paths(String... paths) {
    this.paths = paths;
    return this;
  }

  @Override
  public DefaultBuilder methods(RequestMethod... methods) {
    this.methods = methods;
    return this;
  }

  @Override
  public DefaultBuilder params(String... params) {
    this.params = params;
    return this;
  }

  @Override
  public DefaultBuilder headers(String... headers) {
    this.headers = headers;
    return this;
  }
  
  @Override
  public RequestMappingInfo build() {
    ContentNegotiationManager manager = this.options.getContentNegotiationManager();

    PatternsRequestCondition patternsCondition = new PatternsRequestCondition(
        this.paths, this.options.getUrlPathHelper(), this.options.getPathMatcher(),
        this.options.useSuffixPatternMatch(), this.options.useTrailingSlashMatch(),
        this.options.getFileExtensions());

    return new RequestMappingInfo(this.mappingName, patternsCondition,
        new RequestMethodsRequestCondition(this.methods),
        new ParamsRequestCondition(this.params),
        new HeadersRequestCondition(this.headers),
        new ConsumesRequestCondition(this.consumes, this.headers),
        new ProducesRequestCondition(this.produces, this.headers, manager),
        this.customCondition);
  }
}

Spring框架中許多構建類的實例化使用了類似上面方式,總結有以下特點:

  1. Builder大多是構建類的內部類,構建類提供了一個靜態創建Builder的方法
  2. Builder返回構建類的實例,大多通過build()方法
  3. 構建過程有大量參數,除了幾個必要參數,用戶可根據自己所需選擇設置其他參數實例化對象

模式總結

建造者模式的核心在於如何一步步構建一個包含多個組成部件的完整對象,使用相同的構建過程構建不同的產品,在軟件開發中,如果我們需要創建複雜對象並希望系統具備很好的靈活性和可擴展性可以考慮使用建造者模式。

建造者模式抽象工廠模式有點相似,但是建造者模式返回一個完整的複雜產品,而抽象工廠模式返回一系列相關的產品;在抽象工廠模式中,客戶端通過選擇具體工廠來生成所需對象,而在建造者模式中,客戶端通過指定具體建造者類型並指導Director類如何去生成對象,側重於一步步構造一個複雜對象,然後將結果返回。如果將抽象工廠模式看成一個汽車配件生產廠,生成不同類型的汽車配件,那麼建造者模式就是一個汽車組裝廠,通過對配件進行組裝返回一輛完整的汽車。

主要優點

  1. 將產品本身與產品的創建過程解耦,使得相同的創建過程可以創建不同的產品對象
  2. 可以更加精細地控制產品的創建過程。將複雜產品的創建步驟分解在不同的方法中,使得創建過程更加清晰,也更方便使用程序來控制創建過程。

適用場景

(1) 需要生成的產品對象有複雜的內部結構,這些產品對象通常包含多個成員屬性。

(2) 需要生成的產品對象的屬性相互依賴,需要指定其生成順序。

(3) 隔離複雜對象的創建和使用,並使得相同的創建過程可以創建不同的產品。

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