Java 中的数据总线模式：高效统一组件通信

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数据总线设计模式的意图

数据总线设计模式旨在提供一个集中式的通信通道，使系统中的各个组件可以在不直接连接的情况下交换数据，从而促进松耦合并增强可扩展性和可维护性。

数据总线模式的详细说明，并附带实际示例

现实世界中的例子

以大型机场为例，它可以类比现实世界中的数据总线模式。在机场，各个航空公司、乘客、行李搬运工和安保人员都需要进行沟通和信息共享。而不是每个实体都直接与其他每个实体通信，机场使用了一个集中的广播系统（数据总线）。航班信息、安全警报和其他重要更新通过此系统广播，每个实体都会监听与它们相关的消息。这种设置使机场能够解耦通信流程，确保每个实体只接收需要的信息，同时允许系统扩展并集成新实体，而不会影响现有的实体。这与 Java 中的数据总线模式如何促进集中式通信和事件处理、增强系统可扩展性和可维护性类似。

通俗地说

数据总线是一种设计模式，它根据传输的消息或事件类型连接应用程序的组件以进行通信。此模式促进了解耦，通过允许组件在没有直接依赖关系的情况下进行通信，从而更容易扩展和维护系统。

假设你有一个应用程序，它允许在线预订和参与活动。您希望应用程序向社区的所有普通成员或举办活动的组织发送通知，例如活动广告。但是，您不想向活动管理员或组织者发送此类广告。相反，您希望向他们发送有关向所有成员发送新广告的时机的通知。数据总线允许您通过使他们的类或组件只接受特定类型的消息，来有选择地按类型（普通成员或活动管理员）向社区成员发送通知。因此，普通成员和管理员无需了解彼此或用于通知整个社区的特定类或组件，只需要知道发送的消息类型。

在上面的在线活动应用程序示例中，我们首先定义我们的 Member 接口及其实现：MessageCollectorMember（普通社区成员）和 StatusMember（活动管理员或组织者）。

public interface Member extends Consumer<DataType> {

    void accept(DataType event);
}

接下来，我们实现一个数据总线来订阅或取消订阅成员，并将事件发布到通知所有社区成员。

public class DataBus {

    private static final DataBus INSTANCE = new DataBus();

    private final Set<Member> listeners = new HashSet<>();

    public static DataBus getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    public void subscribe(final Member member) {
        this.listeners.add(member);
    }

    public void unsubscribe(final Member member) {
        this.listeners.remove(member);
    }

    public void publish(final DataType event) {
        event.setDataBus(this);

        listeners.forEach(
                listener -> listener.accept(event));
    }
}

accept 方法应用于 publish 方法中的每个成员。

对于普通社区成员 (MessageCollectorMember)，accept 方法只能处理 MessageData 类型消息。

public class MessageCollectorMember implements Member {

    private final String name;

    private final List<String> messages = new ArrayList<>();

    public MessageCollectorMember(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void accept(final DataType data) {
        if (data instanceof MessageData) {
            handleEvent((MessageData) data);
        }
    }
}

对于活动管理员或组织者 (StatusMember)，accept 方法可以处理 StartingData 和 StoppingData 类型消息。

public class StatusMember implements Member {

    private final int id;

    private LocalDateTime started;

    private LocalDateTime stopped;

    public StatusMember(int id) {
        this.id = id;
    }

    @Override
    public void accept(final DataType data) {
        if (data instanceof StartingData) {
            handleEvent((StartingData) data);
        } else if (data instanceof StoppingData) {
            handleEvent((StoppingData) data);
        }
    }
}

以下是 App 类，用于演示数据总线模式的实际应用

class App {

    public static void main(String[] args) {
        final var bus = DataBus.getInstance();
        bus.subscribe(new StatusMember(1));
        bus.subscribe(new StatusMember(2));
        final var foo = new MessageCollectorMember("Foo");
        final var bar = new MessageCollectorMember("Bar");
        bus.subscribe(foo);
        bus.publish(StartingData.of(LocalDateTime.now()));
    }
}

当数据总线发布消息时，输出如下

02:33:57.627 [main] INFO com.iluwatar.databus.members.StatusMember - Receiver 2 sees application started at 2022-10-26T02:33:57.613529100
02:33:57.633 [main] INFO com.iluwatar.databus.members.StatusMember - Receiver 1 sees application started at 2022-10-26T02:33:57.613529100

如所示，MessageCollectorMembers 只接受 MessageData 类型的消息，因此他们看不到 StartingData 或 StoppingData 消息，这些消息只有 StatusMember（活动管理员或组织者）可见。这种选择性消息处理阻止普通社区成员收到管理通知。

何时在 Java 中使用数据总线模式

当多个组件需要共享数据或事件，但直接耦合不可取时。
在信息流动态变化的复杂事件驱动系统中。
在组件可能部署在不同环境中的分布式系统中。
在微服务架构中用于服务间通信。

Java 中数据总线模式的实际应用

大型应用程序中的事件处理系统。
微服务架构中用于服务间通信。
实时数据处理系统，例如股票交易平台。
在 Spring 等框架中，尤其是其应用程序事件机制。

数据总线模式的优缺点

优点

松耦合：组件可以交互，而无需彼此直接依赖。
灵活性：无需影响现有组件，即可添加新的订阅者或发布者。
可扩展性：该模式支持独立扩展组件。
可重用性：总线和组件可以在不同的系统中重用。

权衡

复杂性：引入数据总线可能会增加系统架构的复杂性。
性能开销：额外的通信层可能会引入延迟。
调试难度：跟踪通过总线的数据流可能很困难，尤其是在具有许多事件的系统中。

中介者：促进组件之间的通信，但与数据总线不同，它集中控制。
观察者：类似于数据总线中用于将更改通知多个对象的发布/订阅机制的本质。
发布/订阅：数据总线模式通常使用发布/订阅机制实现，发布者将消息发布到总线，而不知道订阅者。