面试题：Kotlin 中设计模式与并发编程的深度融合

Question

在一个高并发的 Kotlin 应用中，有多个线程需要访问和修改共享资源，同时业务逻辑又涉及多种复杂的业务规则，如状态机的转换、不同算法的动态选择等。请设计一个系统架构，综合运用 Kotlin 的并发编程特性（如协程）以及合适的设计模式（如单例模式、状态模式、策略模式等）来保证系统的线程安全、高效运行，并处理好复杂业务逻辑。详细说明设计思路、各设计模式的作用以及如何避免并发带来的常见问题（如死锁、数据竞争等）。

Answer 1

设计思路

1. 共享资源管理：使用单例模式来管理共享资源，确保整个应用中只有一个实例，避免重复创建资源带来的性能开销和不一致问题。
2. 并发控制：利用 Kotlin 的协程来处理并发操作。协程轻量级且基于挂起机制，能够有效避免线程阻塞，提高系统的并发处理能力。通过Mutex来保护共享资源，确保同一时间只有一个协程可以访问和修改共享资源，从而保证线程安全。
3. 复杂业务逻辑处理：采用状态模式处理状态机的转换，将不同状态的行为封装在不同的状态类中，使得状态转换逻辑清晰且易于维护。使用策略模式来动态选择不同的算法，提高系统的灵活性和可扩展性。

各设计模式的作用

1. 单例模式：
   • 保证共享资源在整个应用中有且仅有一个实例，避免资源重复创建和多实例带来的数据不一致问题。例如，数据库连接池可以设计为单例模式，所有线程都使用同一个连接池实例来获取数据库连接。
2. 状态模式：
   • 将状态相关的行为封装在不同的状态类中，使得状态转换逻辑清晰。比如在一个订单处理系统中，订单有“待支付”“已支付”“已发货”等状态，每个状态对应的操作（如支付、发货等）可以封装在各自的状态类中，当订单状态发生变化时，调用相应状态类的方法，这样业务逻辑更加清晰，易于维护和扩展。
3. 策略模式：
   • 允许在运行时动态选择算法。例如，在一个报表生成系统中，可能有不同的报表生成算法（如按日统计、按月统计等），通过策略模式，可以根据用户的选择动态切换不同的算法，提高系统的灵活性和可扩展性。

避免并发常见问题

1. 死锁：
   • 按照固定顺序获取锁。例如，如果多个协程需要获取多个Mutex锁，统一按照相同的顺序获取，避免出现循环依赖导致死锁。
   • 使用tryLock方法。在获取锁时，可以使用tryLock方法尝试获取锁，如果获取失败可以选择放弃操作或者等待一段时间后重试，而不是一直阻塞等待，从而避免死锁。
2. 数据竞争：
   • 使用Mutex。对共享资源的访问和修改都通过Mutex进行保护，确保同一时间只有一个协程可以操作共享资源。例如：

val mutex = Mutex()
suspend fun modifySharedResource() {
    mutex.lock()
    try {
        // 访问和修改共享资源的代码
    } finally {
        mutex.unlock()
    }
}

• 使用Atomic类型。对于简单的共享变量，可以使用Atomic类型（如AtomicInt、AtomicLong等），这些类型提供了原子操作，无需额外的锁机制即可保证线程安全。例如：

val atomicCounter = AtomicInt(0)
suspend fun incrementCounter() {
    atomicCounter.incrementAndGet()
}