设计模式 | 中介者模式及典型应用
本文的主要内容：
- 介绍中介者模式
- 数据同步示例
- 中介者模式总结
- 源码分析中介者模式的典型应用
- Java Timer 中的中介者模式
中介者模式
世界上存在着各种各样的数据库，不同数据库有各自的应用场景，对于同一份数据，最开始可能使用关系型数据库（如MySQL）进行存储查询，使用Redis作为缓存数据库，当数据量较大时使用MySQL进行查询可能较慢，所以需要将数据同步到Elasticsearch或者列式数据库如Hbase中进行大数据查询。
如何设计数据同步方案是一个重要的问题。数据源众多，目标端也众多，设计得不好可能 “牵一发而动全身”。
如果我们这样设计：每个数据源直接同步数据到目标端数据库的，如果数据库有 N 个，那么最多可能的同步作业将达到 N * N 个，当修改了其中一个数据库的某些配置，可能需要修改另外的 N - 1 个数据库的同步作业。
现在介绍另一种方案，DataX 是阿里巴巴集团内被广泛使用的离线数据同步工具/平台，实现包括 MySQL、Oracle、SqlServer、Postgre、HDFS、Hive、ADS、HBase、TableStore(OTS)、MaxCompute(ODPS)、DRDS 等各种异构数据源之间高效的数据同步功能。
DataX 其实相当于一个中介，从数据源读取数据，写入到目标端，数据源不再需要维护到目标端的同步作业，只需要与 DataX 通信即可。DataX 体现了中介者模式的思想。
中介者模式(Mediator Pattern)：用一个中介对象（中介者）来封装一系列的对象交互，中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式又称为调停者模式，它是一种对象行为型模式。
角色
Mediator（抽象中介者）：它定义一个接口，该接口用于与各同事对象之间进行通信。
ConcreteMediator（具体中介者）：它是抽象中介者的子类，通过协调各个同事对象来实现协作行为，它维持了对各个同事对象的引用。
Colleague（抽象同事类）：它定义各个同事类公有的方法，并声明了一些抽象方法来供子类实现，同时它维持了一个对抽象中介者类的引用，其子类可以通过该引用来与中介者通信。
ConcreteColleague（具体同事类）：它是抽象同事类的子类；每一个同事对象在需要和其他同事对象通信时，先与中介者通信，通过中介者来间接完成与其他同事类的通信；在具体同事类中实现了在抽象同事类中声明的抽象方法。
中介者模式的核心在于中介者类的引入，在中介者模式中，中介者类承担了两方面的职责：
- 中转作用（结构性）：通过中介者提供的中转作用，各个同事对象就不再需要显式引用其他同事，当需要和其他同事进行通信时，可通过中介者来实现间接调用。该中转作用属于中介者在结构上的支持。
- 协调作用（行为性）：中介者可以更进一步的对同事之间的关系进行封装，同事可以一致的和中介者进行交互，而不需要指明中介者需要具体怎么做，中介者根据封装在自身内部的协调逻辑，对同事的请求进行进一步处理，将同事成员之间的关系行为进行分离和封装。
示例
我们来实现一个简化版的数据同步方案，有三种数据库 Mysql、Redis、Elasticsearch，其中的 Mysql 作为主数据库，当增加一条数据时需要同步到另外两个数据库中；Redis 作为缓存数据库，当增加一条数据时不需要同步到另外另个数据库；而 Elasticsearch 作为大数据查询数据库，有一个统计功能，当增加一条数据时只需要同步到 Mysql，所以它们之间的关系图如下所示。
首先我们来实现第一种不使用中介者模式的数据同步方案，各数据源维护各自的同步作业。
抽象数据库
public abstract class AbstractDatabase {
public abstract void add(String data);
public abstract void addData(String data);
}
具体数据库 Mysql，维护同步到 Redis和Elasticsearch 的同步作业
public class MysqlDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new ArrayList<String>();
@Setter
private RedisDatabase redisDatabase;
@Setter
private EsDatabase esDatabase;
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("Mysql 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data);
this.redisDatabase.addData(data); // 维护同步到Redis的同步作业
this.esDatabase.addData(data); // 维护同步到Elasticsearch的同步作业
}
public void select() {
System.out.println("- Mysql 查询，数据：" + this.dataset.toString());
}
}
具体数据库 Redis，不需要同步到其它数据库
public class RedisDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new LinkedList<String>();
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("Redis 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data); // 不同步到其它数据库
}
public void cache() {
System.out.println("- Redis 缓存的数据：" + this.dataset.toString());
}
}
Elasticsearch ，只需要同步到Mysql
public class EsDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new CopyOnWriteArrayList<String>();
@Setter
private MysqlDatabase mysqlDatabase;
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("ES 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data);
this.mysqlDatabase.addData(data); // 维护同步到MySQL的同步作业
}
public void count() {
int count = this.dataset.size();
System.out.println("- Elasticsearch 统计，目前有 " + count + " 条数据，数据：" + this.dataset.toString());
}
}
测试客户端，分别往三个数据库中加入一些数据查看同步效果
public class Client {
public static void main(String[] args) {
MysqlDatabase mysqlDatabase = new MysqlDatabase();
RedisDatabase redisDatabase = new RedisDatabase();
EsDatabase esDatabase = new EsDatabase();
mysqlDatabase.setRedisDatabase(redisDatabase);
mysqlDatabase.setEsDatabase(esDatabase);
esDatabase.setMysqlDatabase(mysqlDatabase);
System.out.println("\n---------mysql 添加数据 1，将同步到Redis和ES中-----------");
mysqlDatabase.add("1");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
System.out.println("\n---------Redis添加数据 2，将不同步到其它数据库-----------");
redisDatabase.add("2");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
System.out.println("\n---------ES 添加数据 3，只同步到 Mysql-----------");
esDatabase.add("3");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
}
}
输出结果
---------mysql 添加数据 1，将同步到Redis和ES中-----------
Mysql 添加数据：1
Redis 添加数据：1
ES 添加数据：1
- Mysql 查询，数据：[1]
- Redis 缓存的数据：[1]
- Elasticsearch 统计，目前有 1 条数据，数据：[1]
---------Redis添加数据 2，将不同步到其它数据库-----------
Redis 添加数据：2
- Mysql 查询，数据：[1]
- Redis 缓存的数据：[1, 2]
- Elasticsearch 统计，目前有 1 条数据，数据：[1]
---------ES 添加数据 3，只同步到 Mysql-----------
ES 添加数据：3
Mysql 添加数据：3
- Mysql 查询，数据：[1, 3]
- Redis 缓存的数据：[1, 2]
- Elasticsearch 统计，目前有 2 条数据，数据：[1, 3]
其实这样已经实现了我们的需求，但是存在一些问题：
- 系统结构复杂且耦合度高。数据源需要维护目标端数据库的引用，以便完成数据同步
- 组件的可重用性差。由于每一个数据源和目标端之间具有很强的关联，若没有目标端的支持，这个组件很难被另一个系统或模块重用
- 系统的可扩展性差：如果需要增加、修改或删除其中一个数据库、将导致多个类的源代码需要修改，这违反了 “开闭原则”，可扩展性和灵活性欠佳。
我们使用中介者模式来重构，将数据同步的功能迁移到中介者中，由中介者来管理数据同步作业
首先还是抽象数据库类（抽象同事类），维护了一个中介者
public abstract class AbstractDatabase {
public static final String MYSQL = "mysql";
public static final String REDIS = "redis";
public static final String ELASTICSEARCH = "elasticsearch";
protected AbstractMediator mediator; // 中介者
public AbstractDatabase(AbstractMediator mediator) {
this.mediator = mediator;
}
public abstract void addData(String data);
public abstract void add(String data);
}
Mysql 数据库（具体同事类）
public class MysqlDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new ArrayList<String>();
public MysqlDatabase(AbstractMediator mediator) {
super(mediator);
}
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("Mysql 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data);
this.mediator.sync(AbstractDatabase.MYSQL, data); // 数据同步作业交给中介者管理
}
public void select() {
System.out.println("Mysql 查询，数据：" + this.dataset.toString());
}
}
Redis 数据库（具体同事类）
public class RedisDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new LinkedList<String>();
public RedisDatabase(AbstractMediator mediator) {
super(mediator);
}
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("Redis 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data);
this.mediator.sync(AbstractDatabase.REDIS, data); // 数据同步作业交给中介者管理
}
public void cache() {
System.out.println("Redis 缓存的数据：" + this.dataset.toString());
}
}
Elasticsearch（具体同事类）
public class EsDatabase extends AbstractDatabase {
private List<String> dataset = new CopyOnWriteArrayList<String>();
public EsDatabase(AbstractMediator mediator) {
super(mediator);
}
@Override
public void addData(String data) {
System.out.println("ES 添加数据：" + data);
this.dataset.add(data);
}
@Override
public void add(String data) {
addData(data);
this.mediator.sync(AbstractDatabase.ELASTICSEARCH, data); // 数据同步作业交给中介者管理
}
public void count() {
int count = this.dataset.size();
System.out.println("Elasticsearch 统计，目前有 " + count + " 条数据，数据：" + this.dataset.toString());
}
}
抽象中介者
@Data
public abstract class AbstractMediator {
protected MysqlDatabase mysqlDatabase;
protected RedisDatabase redisDatabase;
protected EsDatabase esDatabase;
public abstract void sync(String databaseName, String data);
}
具体中介者
public class SyncMediator extends AbstractMediator {
@Override
public void sync(String databaseName, String data) {
if (AbstractDatabase.MYSQL.equals(databaseName)) {
// mysql 同步到 redis 和 Elasticsearch
this.redisDatabase.addData(data);
this.esDatabase.addData(data);
} else if (AbstractDatabase.REDIS.equals(databaseName)) {
// redis 缓存同步，不需要同步到其他数据库
} else if (AbstractDatabase.ELASTICSEARCH.equals(databaseName)) {
// Elasticsearch 同步到 Mysql
this.mysqlDatabase.addData(data);
}
}
}
测试客户端
public class Client {
public static void main(String[] args) {
AbstractMediator syncMediator = new SyncMediator();
MysqlDatabase mysqlDatabase = new MysqlDatabase(syncMediator);
RedisDatabase redisDatabase = new RedisDatabase(syncMediator);
EsDatabase esDatabase = new EsDatabase(syncMediator);
syncMediator.setMysqlDatabase(mysqlDatabase);
syncMediator.setRedisDatabase(redisDatabase);
syncMediator.setEsDatabase(esDatabase);
System.out.println("\n---------mysql 添加数据 1，将同步到Redis和ES中-----------");
mysqlDatabase.add("1");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
System.out.println("\n---------Redis添加数据 2，将不同步到其它数据库-----------");
redisDatabase.add("2");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
System.out.println("\n---------ES 添加数据 3，只同步到 Mysql-----------");
esDatabase.add("3");
mysqlDatabase.select();
redisDatabase.cache();
esDatabase.count();
}
}
输出结果，与预期一致
---------mysql 添加数据 1，将同步到Redis和ES中-----------
Mysql 添加数据：1
Redis 添加数据：1
ES 添加数据：1
- Mysql 查询，数据：[1]
- Redis 缓存的数据：[1]
- Elasticsearch 统计，目前有 1 条数据，数据：[1]
---------Redis添加数据 2，将不同步到其它数据库-----------
Redis 添加数据：2
- Mysql 查询，数据：[1]
- Redis 缓存的数据：[1, 2]
- Elasticsearch 统计，目前有 1 条数据，数据：[1]
---------ES 添加数据 3，只同步到 Mysql-----------
ES 添加数据：3
Mysql 添加数据：3
- Mysql 查询，数据：[1, 3]
- Redis 缓存的数据：[1, 2]
- Elasticsearch 统计，目前有 2 条数据，数据：[1, 3]
画出类图如下
中介者模式总结
中介者模式的主要优点
-
中介者模式简化了对象之间的交互，它用中介者和同事的一对多交互代替了原来同事之间的多对多交互，一对多关系更容易理解、维护和扩展，将原本难以理解的网状结构转换成相对简单的星型结构。
-
中介者模式可将各同事对象解耦。中介者有利于各同事之间的松耦合，我们可以独立的改变和复用每一个同事和中介者，增加新的中介者和新的同事类都比较方便，更好地符合 “开闭原则”。
-
可以减少子类生成，中介者将原本分布于多个对象间的行为集中在一起，改变这些行为只需生成新的中介者子类即可，这使各个同事类可被重用，无须对同事类进行扩展。
中介者模式的主要缺点
- 在具体中介者类中包含了大量同事之间的交互细节，可能会导致具体中介者类非常复杂，使得系统难以维护。（也就是把具体同事类之间的交互复杂性集中到了中介者类中，结果中介者成了最复杂的类）
适用场景
-
系统中对象之间存在复杂的引用关系，系统结构混乱且难以理解。
-
一个对象由于引用了其他很多对象并且直接和这些对象通信，导致难以复用该对象。
-
想通过一个中间类来封装多个类中的行为，而又不想生成太多的子类。可以通过引入中介者类来实现，在中介者中定义对象交互的公共行为，如果需要改变行为则可以增加新的具体中介者类。
中介者模式的典型应用
Java Timer 中的中介者模式
敲一个 java.util.Timer 的Demo
两个任务类
public class MyOneTask extends TimerTask {
private static int num = 0;
@Override
public void run() {
System.out.println("I'm MyOneTask " + ++num);
}
}
public class MyTwoTask extends TimerTask {
private static int num = 1000;
@Override
public void run() {
System.out.println("I'm MyTwoTask " + num--);
}
}
客户端测试，3秒后开始执行，循环周期为 1秒
public class TimerTest {
public static void main(String[] args) {
// 注意：多线程并行处理定时任务时，Timer运行多个TimeTask时，只要其中之一没有捕获抛出的异常，
// 其它任务便会自动终止运行，使用ScheduledExecutorService则没有这个问题
Timer timer = new Timer();
timer.schedule(new MyOneTask(), 3000, 1000); // 3秒后开始运行，循环周期为 1秒
timer.schedule(new MyTwoTask(), 3000, 1000);
}
}
输出
I'm MyOneTask 1
I'm MyTwoTask 1000
I'm MyTwoTask 999
I'm MyOneTask 2
I'm MyOneTask 3
I'm MyTwoTask 998
I'm MyTwoTask 997
I'm MyOneTask 4
I'm MyOneTask 5
I'm MyTwoTask 996
I'm MyTwoTask 995
I'm MyOneTask 6
...
Timer 的部分关键源码如下
public class Timer {
private final TaskQueue queue = new TaskQueue();
private final TimerThread thread = new TimerThread(queue);
public void schedule(TimerTask task, long delay) {
if (delay < 0)
throw new IllegalArgumentException("Negative delay.");
sched(task, System.currentTimeMillis()+delay, 0);
}
public void schedule(TimerTask task, Date time) {
sched(task, time.getTime(), 0);
}
private void sched(TimerTask task, long time, long period) {
if (time < 0)
throw new IllegalArgumentException("Illegal execution time.");
if (Math.abs(period) > (Long.MAX_VALUE >> 1))
period >>= 1;
// 获取任务队列的锁(同一个线程多次获取这个锁并不会被阻塞,不同线程获取时才可能被阻塞)
synchronized(queue) {
// 如果定时调度线程已经终止了,则抛出异常结束
if (!thread.newTasksMayBeScheduled)
throw new IllegalStateException("Timer already cancelled.");
// 再获取定时任务对象的锁(为什么还要再加这个锁呢?想不清)
synchronized(task.lock) {
// 判断线程的状态,防止多线程同时调度到一个任务时多次被加入任务队列
if (task.state != TimerTask.VIRGIN)
throw new IllegalStateException(
"Task already scheduled or cancelled");
// 初始化定时任务的下次执行时间
task.nextExecutionTime = time;
// 重复执行的间隔时间
task.period = period;
// 将定时任务的状态由TimerTask.VIRGIN(一个定时任务的初始化状态)设置为TimerTask.SCHEDULED
task.state = TimerTask.SCHEDULED;
}
// 将任务加入任务队列
queue.add(task);
// 如果当前加入的任务是需要第一个被执行的(也就是他的下一次执行时间离现在最近)
// 则唤醒等待queue的线程(对应到上面提到的queue.wait())
if (queue.getMin() == task)
queue.notify();
}
}
// cancel会等到所有定时任务执行完后立刻终止定时线程
public void cancel() {
synchronized(queue) {
thread.newTasksMayBeScheduled = false;
queue.clear();
queue.notify(); // In case queue was already empty.
}
}
// ...
}
Timer 中在 schedulexxx 方法中通过 TaskQueue 协调各种 TimerTask 定时任务，Timer 是中介者，TimerTask 是抽象同事类，而我们自己写的任务则是具体同事类
TimerThread 是 Timer 中定时调度线程类的定义，这个类会做为一个线程一直运行来执行 Timer 中任务队列中的任务。
Timer 这个中介者的功能就是定时调度我们写的各种任务，将任务添加到 TaskQueue 任务队列中，给 TimerThread 执行，让任务与执行线程解耦
其他的中介者模式应用
-
java.util.concurrent.Executor#execute和java.util.concurrent.ExecutorService#submit与Timer#schedule类似 -
MVC模式中，Controller 是中介者，根据 View 层的请求来操作 Model 层
参考：
刘伟：设计模式Java版
慕课网java设计模式精讲 Debug 方式+内存分析
java.util系列源码解读之Timer定时器
后记
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