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并发编程 - Event Bus 设计模式

2023-10-19 93
版权
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简介： 并发编程 - Event Bus 设计模式

Pre

我们在日常的工作中，都会使用到MQ这种组件， 某subscriber在消息中间件上注册了某个topic（主题），当有消息发送到了该topic上之后，注册在该topic上的所有subscriber都将会收到消息。




如图所示【消息中间件的消息订阅与发布】


消息中间件的核心作用是提供系统之间的异步消息处理机制。它可以在一个系统完成操作后,通过提交消息到消息中间件,触发其他依赖系统的后续处理,而不需要等待后续处理完全结束。


使用消息中间件的好处有:


   提高系统处理效率,系统之间可以异步并行处理

   降低系统耦合,通过消息进行解耦

   提高系统故障隔离能力,一个系统故障不会影响其他系统


今天我们来实现一个Java进程内部的消息中间件Event Bus,它可以用于进程内不同组件之间的异步消息通信。


设计



Bus接口对外提供了几种主要的使用方式，比如post方法用来发送Event

register方法用来注册Event接收者（Subscriber）接受响应事件

EventBus采用同步的方式推送Event

AsyncEventBus采用异步的方式（Thread-Per-Message）推送Event

Registry注册表，主要用来记录对应的Subscriber以及受理消息的回调方法，回调方法用注解@Subscribe来标识。

Dispatcher主要用来将event广播给注册表中监听了topic的Subscriber


cecbf6be8cdf43a18e4d461c50284dc5.png


Code




Bus接口

package com.artisan.busevent.intf;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 * @desc: Bus接口定义了EventBus的所有使用方法
 */
public interface Bus {
    /**
     * 将某个对象注册到Bus上，从此之后该类就成为Subscriber了
     */
    void register(Object subscriber);
    /**
     * 将某个对象从Bus上取消注册，取消注册之后就不会再接收到来自Bus的任何消息
     */
    void unregister(Object subscriber);
    /**
     * 提交Event到默认的topic
     */
    void post(Object event);
    /**
     * 提交Event到指定的topic
     */
    void post(Object Event, String topic);
    /**
     * 关闭该bus
     */
    void close();
    /**
     * 返回Bus的名称标识
     */
    String getBusName();
}



Bus接口中定义了注册topic的方法和Event发送的方法，具体如下。

   register（Object subscriber）：将某个对象实例注册给Event Bus

   unregister（Object subscriber）：取消对该对象实例的注册，会在Event Bus的注册表（Registry）中将其移除

   post（Object event）：提交Event到Event Bus中，如果未指定topic则会将event广播给Event Bus默认的topic

   post（Object Event，String topic）：提交Event的同时指定了topic

   close（）：销毁该Event Bus

   getBusName（）：返回该Event Bus的名称



自定义注解 @Subscribe

注册对象给Event Bus的时候需要指定接收消息时的回调方法，采用注解的方式进行Event回调


package com.artisan.busevent.annotations;
import java.lang.annotation.ElementType;
import java.lang.annotation.Retention;
import java.lang.annotation.RetentionPolicy;
import java.lang.annotation.Target;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
public @interface Subscribe {
    String topic() default "default-topic";
}

@Subscribe要求注解在类中的方法，注解时可指定topic，不指定的情况下为默认的topic（default-topic）

同步EventBus

同步EventBus是最核心的一个类，它实现了Bus的所有功能，但是该类对Event的广播推送采用的是同步的方式.

package com.artisan.busevent.impl;
import com.artisan.busevent.intf.Bus;
import com.artisan.busevent.intf.EventExceptionHandler;
import java.util.concurrent.Executor;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class EventBus implements Bus {
    /**
     * 用于维护Subscriber的注册表
     */
    private final Registry registry = new Registry();
    /**
     * Event Bus的名字
     */
    private String busName;
    /**
     * 默认的Event Bus的名字
     */
    private final static String DEFAULT_BUS_NAME = "default";
    /**
     * 默认的topic的名字
     */
    private final static String DEFAULT_TOPIC = "default-topic";
    /**
     * 用于分发广播消息到各个Subscriber的类
     */
    private final Dispatcher dispatcher;
    public EventBus() {
        this(DEFAULT_BUS_NAME, null, Dispatcher.SEQ_EXECUTOR_SERVICE);
    }
    /**
     * @param busName
     */
    public EventBus(String busName) {
        this(busName, null, Dispatcher.SEQ_EXECUTOR_SERVICE);
    }
    EventBus(String busName, EventExceptionHandler exceptionHandler, Executor executor) {
        this.busName = busName;
        this.dispatcher = Dispatcher.newDispatcher(exceptionHandler, executor);
    }
    public EventBus(EventExceptionHandler exceptionHandler) {
        this(DEFAULT_BUS_NAME, exceptionHandler, Dispatcher.SEQ_EXECUTOR_SERVICE);
    }
    /**
     * 将注册Subscriber的动作直接委托给Registry
     *
     * @param subscriber
     */
    @Override
    public void register(Object subscriber) {
        this.registry.bind(subscriber);
    }
    /**
     * 解除注册同样委托给Registry
     *
     * @param subscriber
     */
    @Override
    public void unregister(Object subscriber) {
        this.registry.unbind(subscriber);
    }
    /**
     * 提交Event到默认的topic
     *
     * @param event
     */
    @Override
    public void post(Object event) {
        this.post(event, DEFAULT_TOPIC);
    }
    /**
     * 提交Event到指定的topic，具体的动作是由Dispatcher来完成的
     *
     * @param event
     * @param topic
     */
    @Override
    public void post(Object event, String topic) {
        this.dispatcher.dispatch(this, registry, event, topic);
    }
    /**
     * 关闭销毁Bus
     */
    @Override
    public void close() {
        this.dispatcher.close();
    }
    /**
     * 返回Bus的名称
     *
     * @return
     */
    @Override
    public String getBusName() {
        return this.busName;
    }
}


EventBus的构造除了名称之外，还需要有ExceptionHandler和Executor，后两个主要是给Dispatcher使用的。

registry和unregister都是通过Subscriber注册表来完成的。

Event的提交则是由Dispatcher来完成的。

Executor是使用JDK中的Executor接口，自定义的ThreadPool天生就是多线程并发执行任务的线程池，自带异步处理能力，但是无法做到同步任务处理，因此我们使用Executor可以任意扩展同步、异步的任务处理方式。



异步EventBus

如果想要使用异步的方式进行推送，可使用EventBus的子类AsyncEventBus 。


异步的EventBus比较简单，继承自同步Bus，然后将Thread-Per-Message用异步处理任务的Executor替换EventBus中的同步Executor即可

package com.artisan.busevent.impl;
import com.artisan.busevent.intf.EventExceptionHandler;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0 
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class AsyncEventBus extends EventBus {
    AsyncEventBus(String busName, EventExceptionHandler exceptionHandler, ThreadPoolExecutor executor) {
        super(busName, exceptionHandler, executor);
    }
    public AsyncEventBus(String busName, ThreadPoolExecutor executor) {
        this(busName, null, executor);
    }
    public AsyncEventBus(ThreadPoolExecutor executor) {
        this("default-async", null, executor);
    }
    public AsyncEventBus(EventExceptionHandler exceptionHandler, ThreadPoolExecutor executor) {
        this("default-async", exceptionHandler, executor);
    }
}


重写了父类EventBus的构造函数，使用ThreadPoolExecutor替代Executor 。

Subscriber注册表Registry

注册表维护了topic和subscriber之间的关系，当有Event被post之后，Dispatcher需要知道该消息应该发送给哪个Subscriber的实例和对应的方法，Subscriber对象没有任何特殊要求，就是普通的类不需要继承任何父类或者实现任何接口


package com.artisan.busevent.impl;
import com.artisan.busevent.annotations.Subscribe;
import com.artisan.busevent.relations.Subscriber;
import java.lang.reflect.Method;
import java.lang.reflect.Modifier;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
class Registry {
    /**
     * 存储Subscriber集合和topic之间关系的map
     */
    private final ConcurrentHashMap<String, ConcurrentLinkedQueue<Subscriber>> subscriberContainer = new ConcurrentHashMap<>();
    public void bind(Object subscriber) {
        //获取Subscriber Object的方法集合然后进行绑定
        List<Method> subscribeMethods = getSubscribeMethods(subscriber);
        subscribeMethods.forEach(m -> tierSubscriber(subscriber, m));
    }
    public void unbind(Object subscriber) {
        //unbind为了提高速度，只对Subscriber进行失效操作
        subscriberContainer.forEach((key, queue) ->
                queue.forEach(s ->
                {
                    if (s.getSubscribeObject() == subscriber) {
                        s.setDisable(true);
                    }
                }));
    }
    public ConcurrentLinkedQueue<Subscriber> scanSubscriber(final String topic) {
        return subscriberContainer.get(topic);
    }
    private void tierSubscriber(Object subscriber, Method method) {
        final Subscribe subscribe = method.getDeclaredAnnotation(Subscribe.class);
        String topic = subscribe.topic();
        //当某topic没有Subscriber Queue的时候创建一个
        subscriberContainer.computeIfAbsent(topic, key -> new ConcurrentLinkedQueue<>());
        //创建一个Subscriber并且加入Subscriber列表中
        subscriberContainer.get(topic).add(new Subscriber(subscriber, method));
    }
    private List<Method> getSubscribeMethods(Object subscriber) {
        final List<Method> methods = new ArrayList<>();
        Class<?> temp = subscriber.getClass();
        //不断获取当前类和父类的所有@Subscribe方法
        while (temp != null) {
            //获取所有的方法
            Method[] declaredMethods = temp.getDeclaredMethods();
            //只有public方法 &&有一个入参 &&最重要的是被@Subscribe标记的方法才符合回调方法
            Arrays.stream(declaredMethods)
                    .filter(m -> m.isAnnotationPresent(Subscribe.class)
                            && m.getParameterCount() == 1
                            && m.getModifiers() == Modifier.PUBLIC)
                    .forEach(methods::add);
            temp = temp.getSuperclass();
        }
        return methods;
    }
}


由于Registry是在Bus中使用的，不能暴露给外部，因此Registry被设计成了包可见的类，所设计的EventBus对Subscriber没有做任何限制，但是要接受event的回调则需要将方法使用注解@Subscribe进行标记（可指定topic），同一个Subscriber的不同方法通过@Subscribe注解之后可接受来自两个不同的topic消息，比如


/**
*非常普通的对象
*/
public class SimpleObject
{
    /**
    *subscribe方法，比如使用@Subscribe标记，并且是void类型且有一个参数
    */
    @Subscribe(topic = "artisan-topic")
    public void test2(Integer x)
    {
    }
    @Subscribe(topic = "test-topic")
    public void test3(Integer x)
    {
    }
}


SimpleObject的实例被注册到了Event Bus之后，test2和test3这两个方法将会被加入到注册表中，分别用来接受来自artisan-topic和test-topic的event



Event广播Dispatcher


Dispatcher的主要作用是将EventBus post的event推送给每一个注册到topic上的subscriber上，具体的推送其实就是执行被@Subscribe注解的方法.

package com.artisan.busevent.impl;
import com.artisan.busevent.relations.Subscriber;
import com.artisan.busevent.intf.Bus;
import com.artisan.busevent.intf.EventContext;
import com.artisan.busevent.intf.EventExceptionHandler;
import java.lang.reflect.Method;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.Executor;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class Dispatcher {
    private final Executor executorService;
    private final EventExceptionHandler exceptionHandler;
    public static final Executor SEQ_EXECUTOR_SERVICE = SeqExecutorService.INSTANCE;
    public static final Executor PRE_THREAD_EXECUTOR_SERVICE = PreThreadExecutorService.INSTANCE;
    private Dispatcher(Executor executorService, EventExceptionHandler exceptionHandler) {
        this.executorService = executorService;
        this.exceptionHandler = exceptionHandler;
    }
    public void dispatch(Bus bus, Registry registry, Object event, String topic) {
        //根据topic获取所有的Subscriber列表
        ConcurrentLinkedQueue<Subscriber> subscribers = registry.scanSubscriber(topic);
        if (null == subscribers) {
            if (exceptionHandler != null) {
                exceptionHandler.handle(new IllegalArgumentException("The topic " + topic + " not bind yet"),
                        new BaseEventContext(bus.getBusName(), null, event));
            }
            return;
        }
        //遍历所有的方法，并且通过反射的方式进行方法调用
        subscribers.stream()
                .filter(subscriber -> !subscriber.isDisable())
                .filter(subscriber ->
                {
                    Method subscribeMethod = subscriber.getSubscribeMethod();
                    Class<?> aClass = subscribeMethod.getParameterTypes()[0];
                    return (aClass.isAssignableFrom(event.getClass()));
                }).forEach(subscriber -> realInvokeSubscribe(subscriber, event, bus));
    }
    private void realInvokeSubscribe(Subscriber subscriber, Object event, Bus bus) {
        Method subscribeMethod = subscriber.getSubscribeMethod();
        Object subscribeObject = subscriber.getSubscribeObject();
        executorService.execute(() ->
        {
            try {
                subscribeMethod.invoke(subscribeObject, event);
            } catch (Exception e) {
                if (null != exceptionHandler) {
                    exceptionHandler.handle(e, new BaseEventContext(bus.getBusName(), subscriber, event));
                }
            }
        });
    }
    public void close() {
        if (executorService instanceof ExecutorService) {
            ((ExecutorService) executorService).shutdown();
        }
    }
    static Dispatcher newDispatcher(EventExceptionHandler exceptionHandler, Executor executor) {
        return new Dispatcher(executor, exceptionHandler);
    }
    static Dispatcher seqDispatcher(EventExceptionHandler exceptionHandler) {
        return new Dispatcher(SEQ_EXECUTOR_SERVICE, exceptionHandler);
    }
    static Dispatcher perThreadDispatcher(EventExceptionHandler exceptionHandler) {
        return new Dispatcher(PRE_THREAD_EXECUTOR_SERVICE, exceptionHandler);
    }
    /**
     * 顺序执行的ExecutorService
     */
    private static class SeqExecutorService implements Executor {
        private final static SeqExecutorService INSTANCE = new SeqExecutorService();
        @Override
        public void execute(Runnable command) {
            command.run();
        }
    }
    /**
     * 每个线程负责一次消息推送
     */
    private static class PreThreadExecutorService implements Executor {
        private final static PreThreadExecutorService INSTANCE = new PreThreadExecutorService();
        @Override
        public void execute(Runnable command) {
            new Thread(command).start();
        }
    }
    /**
     * 默认的EventContext实现
     */
    private static class BaseEventContext implements EventContext {
        private final String eventBusName;
        private final Subscriber subscriber;
        private final Object event;
        private BaseEventContext(String eventBusName, Subscriber subscriber, Object event) {
            this.eventBusName = eventBusName;
            this.subscriber = subscriber;
            this.event = event;
        }
        @Override
        public String getSource() {
            return this.eventBusName;
        }
        @Override
        public Object getSubscriber() {
            return subscriber != null ? subscriber.getSubscribeObject() : null;
        }
        @Override
        public Method getSubscribe() {
            return subscriber != null ? subscriber.getSubscribeMethod() : null;
        }
        @Override
        public Object getEvent() {
            return this.event;
        }
    }
}

在Dispatcher中，除了从Registry中获取对应的Subscriber执行之外，我们还定义了几个静态内部类，其主要是实现了Executor接口和EventContent接口。

测试


简单的Subscriber

 package com.artisan.busevent.consumer;
import com.artisan.busevent.annotations.Subscribe;
import com.artisan.busevent.entity.Artisan;
import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Slf4j
public class SubscriberA {
    /**
     * 消费默认主题的数据 ，接受的数据类型为 String类型
     *
     * @param message
     */
    @SneakyThrows
    @Subscribe
    public void consumerDefaultTopic(String message) {
        log.info("consumerDefaultTopic开始执行时间：{}, 执行线程： {}", new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()),
                Thread.currentThread().getName());
        log.info("SubscriberA-->consumerDefaultTopic（模拟执行5秒）-->收到Message（字符串）--> {}", message);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        log.info("-----------------------consumerDefaultTopic OVER---------------------------------");
    }
    /**
     * 消费 test 的数据 , 接受的数据类型 为 artisan对象
     *
     * @param artisan
     */
    @SneakyThrows
    @Subscribe(topic = "test")
    public void consumerSpecTopic(Artisan artisan) {
        log.info("consumerSpecTopic开始执行时间：{}, 执行线程： {}", new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()),
                Thread.currentThread().getName());
        log.info("SubscriberA-->consumerSpecTopic（模拟执行10秒）-->收到Message-（对象）-> {}", artisan);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
        log.info("-----------------------consumerSpecTopic OVER---------------------------------");
    }
}

 package com.artisan.busevent.consumer;
import com.artisan.busevent.annotations.Subscribe;
import com.artisan.busevent.entity.Artisan;
import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Slf4j
public class SubscriberB {
    /**
     * 消费默认主题的数据
     * @param message
     */
    @SneakyThrows
    @Subscribe
    public void consumerDefaultTopic(String message) {
        log.info("consumerDefaultTopic开始执行时间：{}, 执行线程： {}", new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()),
                Thread.currentThread().getName());
        log.info("SubscriberB-->consumerDefaultTopic（模拟执行3秒）-->收到Message（字符串）--> {}", message);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(3);
        log.info("-----------------------consumerDefaultTopic OVER---------------------------------");
    }
    /**
     * 消费 test  主题的数据
     * @param artisan
     */
    @SneakyThrows
    @Subscribe(topic = "test")
    public void consumerSpecTopic(Artisan artisan) {
        log.info("consumerSpecTopic开始执行时间：{}, 执行线程： {}", new SimpleDateFormat("HH:mm:ss").format(new Date()),
                Thread.currentThread().getName());
        log.info("SubscriberB-->consumerSpecTopic（模拟执行5秒）-->收到Message（对象）--> {} ", artisan);
        TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
        log.info("-----------------------consumerSpecTopic OVER---------------------------------");
    }
}

package com.artisan.busevent.entity;
import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;
import java.util.List;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor()
public class Artisan {
    private String name;
    private Integer age;
    private List<String> hobbies;
}



同步Event Bus

package com.artisan.busevent.producer;
import com.artisan.busevent.consumer.SubscriberA;
import com.artisan.busevent.consumer.SubscriberB;
import com.artisan.busevent.entity.Artisan;
import com.artisan.busevent.impl.EventBus;
import com.artisan.busevent.intf.Bus;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import java.util.Arrays;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Slf4j
public class EventBus_SyncTest {
    @Test
    public void testSync() {
        Bus bus = new EventBus("TestBus");
        bus.register(new SubscriberA());
        bus.register(new SubscriberB());
        log.info("--------默认 主题 ----");
        // 默认主题
        bus.post("Hello 小工匠");
        log.info("--------test 主题 ----");
        // 指定topic
        bus.post(new Artisan("artisan", 18, Arrays.asList("JAVA", "AIGC")), "test");
    }
}


209607d9af11467a92bf024f9a00d13a.png



异步Event Bus

package com.artisan.busevent.producer;
import com.artisan.busevent.consumer.SubscriberA;
import com.artisan.busevent.consumer.SubscriberB;
import com.artisan.busevent.entity.Artisan;
import com.artisan.busevent.impl.AsyncEventBus;
import com.artisan.busevent.impl.EventBus;
import com.artisan.busevent.intf.Bus;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.jupiter.api.Test;
import java.util.Arrays;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @mark: show me the code , change the world
 */
@Slf4j
public class EventBus_AsyncTest {
    @Test
    public void testSync() throws InterruptedException {
        Bus bus = new AsyncEventBus("TestBus", (ThreadPoolExecutor) Executors.newFixedThreadPool(10));
        bus.register(new SubscriberA());
        bus.register(new SubscriberB());
        log.info("--------默认 主题 ----");
        // 默认主题
        bus.post("Hello 小工匠");
        log.info("--------test 主题 ----");
        // 指定topic
        bus.post(new Artisan("artisan", 18, Arrays.asList("JAVA", "AIGC")), "test");
        TimeUnit.SECONDS.sleep(20);
    }
}


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小结


EventBus有点类似于GOF设计模式中的监听者模式，但是EventBus提供的功能更加强大，使用起来也更加灵活，EventBus中的Subscriber不需要继承任何类或者实现任何接口，在使用EventBus时只需要持有Bus的引用即可。


在EventBus的设计中有三个非常重要的角色（Bus、Registry和Dispatcher），

   Bus主要提供给外部使用的操作方法，

   Registry注册表用来整理记录所有注册在EventBus上的Subscriber，

   Dispatcher主要负责对Subscriber消息进行推送（用反射的方式执行方法），但是考虑到程序的灵活性，Dispatcher方法中又提供了Executor的多态方式。

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设计模式
消息中间件
Java
关键词：
设计模式并发编程
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