面试题：Java装饰器模式在高并发日志记录系统中的优化应用

可能面临的性能问题

资源竞争：
- I/O资源竞争：如果装饰器模式中涉及到日志写入文件等I/O操作，多个线程同时通过装饰器调用写入方法，可能会导致文件I/O资源竞争，降低写入性能。例如，当多个线程尝试同时打开、写入和关闭同一个日志文件时，会出现频繁的等待和上下文切换。
- 内存资源竞争：如果装饰器对象持有共享的内存资源，如缓存等，多个线程同时访问和修改这些资源，可能导致资源竞争。比如，一个装饰器负责缓存最近的日志记录，多个线程同时尝试更新缓存，可能导致缓存数据不一致，并且线程在竞争缓存锁时会产生性能开销。
线程安全：
- 数据不一致：如果装饰器在处理日志记录时共享可变状态，多个线程并发访问和修改这些状态，可能导致数据不一致问题。例如，一个装饰器记录日志的总数，多个线程同时增加这个计数器，可能会出现计数不准确的情况。
- 竞态条件：在装饰器链中，如果不同装饰器的操作顺序依赖于共享状态，可能会出现竞态条件。比如，一个装饰器根据另一个装饰器设置的标志来决定是否进行额外的处理，但这个标志可能在多线程环境下被意外修改，导致处理逻辑出错。

优化方案

资源竞争优化：
- I/O资源优化：
  - 使用缓冲技术：可以在装饰器中引入缓冲机制，先将日志记录缓存到内存中，达到一定数量或时间间隔后，再批量写入文件。例如，使用BufferedWriter结合ScheduledExecutorService定时批量写入日志文件，减少I/O操作频率。示例代码如下：

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.util.concurrent.ScheduledExecutorService;
import java.util.concurrent.ScheduledThreadPoolExecutor;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class BufferedLogDecorator extends LogDecorator {
    private static final int BUFFER_SIZE = 100;
    private StringBuilder buffer = new StringBuilder();
    private int bufferCount = 0;
    private ScheduledExecutorService executorService;

    public BufferedLogDecorator(Logger logger) {
        super(logger);
        executorService = new ScheduledThreadPoolExecutor(1);
        executorService.scheduleAtFixedRate(() -> {
            if (bufferCount > 0) {
                writeBufferToFile();
            }
        }, 0, 1, TimeUnit.SECONDS);
    }

    @Override
    public void log(String message) {
        buffer.append(message).append("\n");
        bufferCount++;
        if (bufferCount >= BUFFER_SIZE) {
            writeBufferToFile();
        }
    }

    private void writeBufferToFile() {
        try (BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("log.txt", true))) {
            writer.write(buffer.toString());
            buffer.setLength(0);
            bufferCount = 0;
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    public void close() {
        if (bufferCount > 0) {
            writeBufferToFile();
        }
        executorService.shutdown();
        try {
            if (!executorService.awaitTermination(5, TimeUnit.SECONDS)) {
                executorService.shutdownNow();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            executorService.shutdownNow();
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        super.close();
    }
}

 - **使用异步I/O**：采用Java NIO的异步通道（如`AsynchronousSocketChannel`）进行日志写入操作。这样可以在I/O操作进行时，主线程继续处理其他任务，提高系统整体吞吐量。

内存资源优化：
- 使用线程安全的数据结构：如果装饰器需要共享内存资源，如缓存，可以使用线程安全的数据结构。例如，使用ConcurrentHashMap代替普通的HashMap来缓存日志记录。示例代码如下：

import java.util.concurrent.ConcurrentHashMap;

public class CachingLogDecorator extends LogDecorator {
    private ConcurrentHashMap<String, String> cache;

    public CachingLogDecorator(Logger logger) {
        super(logger);
        cache = new ConcurrentHashMap<>();
    }

    @Override
    public void log(String message) {
        if (cache.containsKey(message)) {
            // 从缓存中获取并处理
            String cachedMessage = cache.get(message);
            // 处理缓存消息
        } else {
            super.log(message);
            cache.put(message, message);
        }
    }
}

线程安全优化：
- 使用锁机制：在装饰器中对共享可变状态的操作添加锁。例如，对于记录日志总数的装饰器，可以使用synchronized关键字或ReentrantLock来保证线程安全。示例代码如下：

import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CountingLogDecorator extends LogDecorator {
    private int logCount = 0;
    private ReentrantLock lock = new ReentrantLock();

    public CountingLogDecorator(Logger logger) {
        super(logger);
    }

    @Override
    public void log(String message) {
        lock.lock();
        try {
            logCount++;
            super.log(message);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public int getLogCount() {
        lock.lock();
        try {
            return logCount;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

不可变设计：尽量设计装饰器为无状态或使用不可变对象。例如，如果装饰器只是对日志消息进行格式转换，不依赖和修改共享状态，那么就不存在线程安全问题。可以将日志消息封装成不可变对象，在装饰器之间传递。示例代码如下：

public final class ImmutableLogMessage {
    private final String message;

    public ImmutableLogMessage(String message) {
        this.message = message;
    }

    public String getMessage() {
        return message;
    }
}

public class FormattingLogDecorator extends LogDecorator {
    public FormattingLogDecorator(Logger logger) {
        super(logger);
    }

    @Override
    public void log(ImmutableLogMessage message) {
        String formattedMessage = "[" + System.currentTimeMillis() + "] " + message.getMessage();
        super.log(new ImmutableLogMessage(formattedMessage));
    }
}

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