Java 中的管道模式：使用模块化组件简化数据处理

约 3 分钟

其他名称

操作链
处理管道

管道设计模式的意图

Java 中的管道设计模式旨在促进跨不同阶段的数据处理，从而提高模块化开发和操作效率。

管道模式的详细说明以及实际应用示例

现实世界中的示例

汽车制造等装配线可以作为 Java 管道设计模式的实际示例，展示其效率和可扩展性。
在这个类比中，汽车制造流程被划分为几个独立的阶段，每个阶段负责汽车装配的特定部分。例如
**底盘装配：** 汽车的基础框架被组装。
**发动机安装：** 发动机被安装到底盘上。
**喷漆：** 汽车被喷漆。
**内饰装配：** 内饰（包括座椅和仪表盘）被安装。
**质量控制：** 完成的汽车被检查是否有缺陷。
在 Java 管道模式中，每个阶段独立运行且按顺序执行，确保数据流畅且易于修改。一个阶段的输出（例如，部分组装的汽车）成为下一个阶段的输入。这种模块化方法允许轻松维护、扩展（例如，在一个阶段添加更多工人）和灵活（例如，用更高级的版本替换一个阶段）。就像在软件管道中一样，一个阶段的更改不会影响其他阶段，从而促进持续改进和高效生产。

通俗易懂的解释

管道模式就像一条装配线，部分结果从一个阶段传递到另一个阶段。

维基百科说

在软件工程中，管道由一系列处理元素（进程、线程、协程、函数等）组成，这些元素按顺序排列，使得每个元素的输出成为下一个元素的输入；名称源于对物理管道的类比。

Java 中管道模式的编程示例

让我们创建一个字符串处理管道示例。我们管道中的阶段被称为 Handler。

interface Handler<I, O> {
    O process(I input);
}

在我们的字符串处理示例中，我们有 3 个不同的具体 Handler。

class RemoveAlphabetsHandler implements Handler<String, String> {
  // ...
}

class RemoveDigitsHandler implements Handler<String, String> {
  // ...
}

class ConvertToCharArrayHandler implements Handler<String, char[]> {
  // ...
}

以下是将收集和执行处理程序的 Pipeline。

class Pipeline<I, O> {

    private final Handler<I, O> currentHandler;

    Pipeline(Handler<I, O> currentHandler) {
        this.currentHandler = currentHandler;
    }

    <K> Pipeline<I, K> addHandler(Handler<O, K> newHandler) {
        return new Pipeline<>(input -> newHandler.process(currentHandler.process(input)));
    }

    O execute(I input) {
        return currentHandler.process(input);
    }
}

以下是 Pipeline 处理字符串的实际操作。

public static void main(String[] args) {
    LOGGER.info("Creating pipeline");
    var filters = new Pipeline<>(new RemoveAlphabetsHandler())
            .addHandler(new RemoveDigitsHandler())
            .addHandler(new ConvertToCharArrayHandler());
    var input = "GoYankees123!";
    LOGGER.info("Executing pipeline with input: {}", input);
    var output = filters.execute(input);
    LOGGER.info("Pipeline output: {}", output);
}

控制台输出

07:34:27.069 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Creating pipeline
07:34:27.072 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Executing pipeline with input: GoYankees123!
07:34:27.074 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.RemoveAlphabetsHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.RemoveAlphabetsHandler, input is GoYankees123! of type class java.lang.String, output is 123!, of type class java.lang.String
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.RemoveDigitsHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.RemoveDigitsHandler, input is 123! of type class java.lang.String, output is !, of type class java.lang.String
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.ConvertToCharArrayHandler -- Current handler: class com.iluwatar.pipeline.ConvertToCharArrayHandler, input is ! of type class java.lang.String, output is [!], of type class [Ljava.lang.Character;
07:34:27.075 [main] INFO com.iluwatar.pipeline.App -- Pipeline output: [!]

何时在 Java 中使用管道模式

在以下情况下使用管道模式

当您需要按顺序处理数据时。
当每个处理阶段都独立且易于替换或重新排序时。
当您想提高数据处理代码的可扩展性和可维护性时。

管道模式 Java 教程

Java 中管道模式的实际应用

数据转换和 ETL（提取、转换、加载）流程。
编译器通过词法分析、语法分析、语义分析和代码生成等多个阶段处理源代码。
图像处理应用程序，其中多个滤镜按顺序应用。
日志记录框架，其中消息通过多个处理程序进行格式化、过滤和输出。

管道模式的优势和权衡

优势

解耦：管道的每个阶段都是一个独立的组件，使系统更加模块化，更容易维护。
可重用性：单个阶段可以在不同的管道中重复使用。
可扩展性：可以添加新的阶段，而无需修改现有的阶段。
可扩展性：管道可以通过在不同的处理器或线程上运行不同的阶段来实现并行化。

权衡

复杂性：管理数据在多个阶段中的流动可能会引入复杂性。
性能开销：每个阶段都会引入一些性能开销，因为上下文切换和数据在阶段之间传输。
调试难度：调试管道可能更具挑战性，因为数据流经多个组件。

责任链：两种模式都涉及将数据传递给一系列处理程序，但在责任链中，处理程序可以决定是否将数据进一步传递。
装饰器：两种模式都涉及动态添加行为，但装饰器将附加行为包装在对象周围，而管道以离散步骤处理数据。
组合：与管道类似，组合也涉及分层处理，但组合更侧重于部分-整体层次结构。