关于鲁棒性的思考
在计算机科学中，鲁棒性（英语：Robustness）是指一个计算机系统在执行过程中处理错误，以及算法在遭遇输入、运算等异常时继续正常运行的能力。
鲁棒性关注的重点在于系统的稳定性，在不同场景下衍生了复杂的设计考量，且本身是一个广泛且难以具像化的特性。因此，针对特定目标实现鲁棒性分析，形成切实可行的鲁棒性意识，保障安全性。
基于鲁棒性分析，以设计规约为目标，有三个维度可以拆解：输入、处理、输出；以代码规范为核心，我们可以从三个方面来分析，分别为：代码质量、代码性能以及代码优雅。
设计规约
▐ 失败设计思维
针对输入和处理环节，失败设计思维是保证鲁棒性的有效设想。该思维要贯穿代码生命周期始终，把失败当作代码设计中合理存在，提前准备好从运行失败的场景中恢复。倡导防御式编程思想，拒绝契约式编程。
- 入参判空、有效性检验。
- 系统设计时识别弱依赖，并针对性地设计降级、限流等应急预案，保证核心逻辑正常可用。
- 在考虑主干功能的同时，要充分考虑评估异常流程与业务边界。
- ......
▐ 图式表达设计
针对处理环节，图式表达设计保证鲁棒性的有效举措。在复杂多变的业务场景中，图式表达往往能够以清晰、结构化的展现业务关联关系，对技术链路包括失败异常分支也有充分的分析帮助。
- 如果某个业务对象状态超过3个，使用状态图来表达并且明确状态变化的触发条件；状态图的核心是对象状态，首先明确对象有多少种状态，然后明确状态间是否存在直接转换关系，再明确触发状态转换的条件是什么，最终输出状态转移图。注：状态图中的状态在代码中必须集中定义。
- 如果系统中某个功能的调用链路上涉及对象超过3个，使用时序图来表达并且明确调用环节的输入与输出。时序图反映了一些列对象间的交互和协作关系，可以清晰立体地反映系统间调用纵深链路。
- 如果系统中模型类超过5个，并且存在复杂的依赖关系，使用类图来表达并且明确类之间的关系。
- 如果系统中超过2个对象之间存在协作关系，并且需要表示复杂的处理流程，使用活动图来表示。
- ......
▐ 异常错误处理
针对输出环节，异常错误处理是保障鲁棒性的重要依据。业务代码必然会有错误失败出现，是否符合预期表现，是否在正常处理流中，是否可以快速对错误定位，往往要有一定的判断依据。面对异常分支，就需要异常错误输出，也是系统监控的基础。
- 错误码设计。错误码能够快速知晓错误来源，同时也能给予依赖者的确定性表达，提高鲁棒性。
- 异常日志输出。控制异常日志输出级别，error级别只记录系统逻辑出错、异常或者其他重要的错误信息。
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▐ 实战Case
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需求背景
聚划算章鱼互动升级为“聚财气”频道，新增气泡奖励玩法。气泡奖励分登录奖励和时长奖励，其中时长奖励包括奖励1倒计时30秒、奖励2每日9点以及奖励3每日20点。
场景演示：用户在10:00进入频道后，收取完登陆奖励，唤起了一个30秒后的奖励的气泡；30秒后用户点击领奖，唤起了一个提示今日20:00可领的提示（该奖励未领）；用户次日再来，收取完登陆奖励后唤起了30秒后的奖励气泡....
实现效果
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技术设计
通过气泡任务的需求描述，简单分析可以得知，任务开始到权益发放间有状态变更，气泡任务间有优先 级逻辑。因此，基于设计规约，我们可以对需求进行清晰的分析和开发设计。
1、图式表达设计
气泡任务的复杂度主要在于多状态的变更，所以采用图式表达方式完成状态的变迁。可以看出，运用状态图是较合适的。（状态图：主要用于描述一个对象在其生存期间的动态行为，表现为一个对象所经历的状态序列，引起状态转移的事件，以及因状态转移而伴随的动作）
气泡任务状态图
气泡任务间展示状态图
2、失败设计思维
针对气泡任务，失败设计思维的侧重在于防御式编程和服务降级限流。在防御式编程中，利用断言型接口，对气泡透传前置条件校验、状态扭转识别以及有效性检验。同时，在服务降级预案中，考虑到气泡任务并不影响玩法频道的用户主流程，因此设计了两种预案：一是奖励资格和权益发放大面积失败或异常时，气泡任务全部降级处理；二是特定气泡逻辑存在异常问题时，该气泡降级关闭。此外，设定服务限流阈值，在大促流量高峰时保护系统稳定。
3、异常错误处理
异常错误处理主要在于失败后的反应动作和前台用户表达。气泡任务状态转移中，会存在奖励资格和权益发放失败的现象。失败的发生有着难以枚举的原因。针对失败，首先保持幂等性，进行系统重试或者用户行为重试；其次，失败异常日志输出，利用错误码设计尽可能准确描述失败原因；最后，异常和错误监控，基于分钟级错误日志统计报警，开发同学可第一时间介入定位问题。另外重要的一点是，由于真正使用的是用户，所以前台表达一定要是友好的、便于理解的，不然歧义的表述会造成大面积舆情发生。
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小结
基于上述三点，贯穿气泡任务的设计、开发等过程，不同维度地保证了系统鲁棒性。此外，在实际开发阶段，气泡任务采用了责任链模式来实现的，可动态调整气泡间依赖关系，提供一定的扩展性。
代码鲁棒性
以具体场景和实例来描述代码规范和技巧，提升代码鲁棒性和系统稳定性。
▐ 代码质量
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集合处理
在使用java.util.stream.Collectors类的toMap()方法转为Map集合时，一定要使用含有参数类型为BinaryOperator，参数名为mergeFunction的方法，否则当出现相同key值时会抛出IllegalStateException异常。
「说明」参数mergeFunction的作用是当出现key重复时，自定义对value的处理策略。
正例：
List<Pair<String, Double>> pairArrayList = new ArrayList<>(3);
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 6.19));
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 10.24));
pairArrayList.add(new Pair<>("version", 13.14));
Map<String, Double> map = pairArrayList.stream().collect(
// 生成的map集合中只有一个键值对：{version=13.14}
Collectors.toMap(Pair::getKey, Pair::getValue, (v1, v2) -> v2));
String[] departments = new String[] {"iERP", "iERP", "EIBU"};
// 抛出IllegalStateException异常
Map<Integer, String> map = Arrays.stream(departments)
.collect(Collectors.toMap(String::hashCode, str -> str));在使用java.util.stream.Collectors类的toMap()方法转为Map集合时，一定要注意当value为null时会抛NPE异常。 「说明」在java.util.HashMap的merge方法里会进行如下的判断
public static <T> T requireNonNull(T obj) {
if (obj == null)
throw new NullPointerException();
return obj;
}
List<Pair<String, Double>> pairArrayList = new ArrayList<>(2);
pairArrayList.add(new Pair<>("version1", 4.22));
pairArrayList.add(new Pair<>("version2", null));
Map<String, Double> map = pairArrayList.stream().collect(
// 抛出NullPointerException异常
Collectors.toMap(Pair::getKey, Pair::getValue, (v1, v2) -> v2));Collections类返回的对象，如：emptyList()/singletonList()等都是immutable list，不可对其进行添加或者删除元素的操作。
ArrayList的subList结果不可强转成ArrayList，否则会抛出ClassCastException异常：在subList场景中，高度注意对父集合元素的增加或删除，均会导致子列表的遍历、增加、删除产生ConcurrentModificationException 异常。
「说明」subList()返回的是ArrayList的内部类SubList，并不是 ArrayList本身，而是ArrayList 的一个视图，对于SubList的 所有操作最终会反映到原列表上。列表改动均会引起checkForComodification异常
private void checkForComodification() {
if (this.modCount != l.modCount)
throw new ConcurrentModificationException();
}在使用Collection接口任何实现类的addAll()方法时，都要对输入的集合参数进行NPE判断。
「说明」在ArrayList#addAll方法的第一行代码即Object[] a = c.toArray()；其中c为输入集合参数，如果为null，则直接抛出异常。
泛型通配符<? extends T>允许调用读方法T get()获取T的引用，但不允许调用写方法set(T)传入T的引用（传入null除外）；<? super T>允许调用写方法set(T)传入T的引用，但不允许调用读方法T get()获取T的引用（获取Object除外）。
「说明」PECS (Producer Extends Consumer Super)原则：如果需要返回T，它是生产者（Producer），要使用extends通配符；如果需要写入T，它是消费者（Consumer），要使用super通配符。因此，频繁往外读取内容的，适合用<? extends T>。经常往里插入的，适合用<? super T>。
不要在foreach循环里进行元素的remove/add操作。remove元素请使用Iterator方式，如果并发操作，需要对Iterator迭代器对象加锁。
List<String> list = new ArrayList<>();
list.add("targetItem");
list.add("other");
for (String item : list) {
if ("targetItem".equals(item)) {
list.remove(item);
}
}
Iterator<String> iterator = list.iterator();
while (iterator.hasNext()) {
String item = iterator.next();
if (删除元素的条件) {
iterator.remove();
}
}-
计算处理
禁止使用构造方法BigDecimal(double)的方式把double值转化为BigDecimal对象。
「说明」BigDecimal(double)存在精度损失风险，在精确计算或值比较的场景中可能会导致业务逻辑异常。如：BigDecimal g = new BigDecimal(0.1f); 实际的存储值为：0.100000001490116119384765625
优先推荐入参为String的构造方法，或使用BigDecimal的valueOf方法，此方法内部其实执行了Double的toString，而Double的toString按double的实际能表达的精度对尾数进行了截断。
BigDecimal recommend1 = new BigDecimal("0.1");
BigDecimal recommend2 = BigDecimal.valueOf(0.1);-
日期处理
获取当前毫秒数：System.currentTimeMillis(); 而不是new Date().getTime()
「说明」如果想获取更加精确的纳秒级时间值，使用System.nanoTime的方式。在JDK8中，针对统计时间等场景，推荐使用Instant类。
日期格式化时，传入pattern中表示年份统一使用小写的y。「说明」日期格式化时，yyyy表示当天所在的年，而大写的YYYY代表是week in which year，意思是 当天所在的周属于的年份，一周从周日开始，周六结束，只要本周跨年，返回的YYYY就是下一年。
new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
▐ 代码性能
判断所有集合内部的元素是否为空，使用isEmpty()方法，而不是size()==0的方式。
「说明」任何 Collection.isEmpty() 实现的时间复杂度都是O(1)，但是某些 Collection.size() 实现的时间复杂度可能是O(n) 。
如ConcurrentLinkedQueue的size()是将所有元素重新统计了一遍，因此时间复杂度为O(n)。
Map<String, Object> map = new HashMap<>(16);
if(map.isEmpty()) {
System.out.println("no element in this map.");
}集合初始化时，指定集合初始值大小。
「说明」HashMap使用如下构造方法进行初始化，如果暂时无法确定集合大小，那么指定默认值（16）即可；如果hashMap存放元素较多，由于没有设置容量初始大小，随着元素增加而被迫不断扩容，resize()方法不断调用，反复重建哈希表和数据迁移。当放置的集合元素个数达千万级时会影响程序性能。
/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}利用Set元素唯一的特性，可以快速对另一个集合进行去重操作，避免使用List的contains()进行遍历去重或者判断包含操作
▐ 代码优雅
外部正在调用或者二方库依赖的接口，不允许修改方法签名，避免对接口调用方产生影响。接口过时必须加@Deprecated注解，并清晰地说明采用的新接口或者新服务是什么。
Object的equals方法容易抛空指针异常，应使用常量或确定有值的对象来调用equals。「说明」推荐使用JDK7引入的工具类java.util.Objects#equals(Object a, Object b)
「说明」若直接用两字符串拼接，反编译出的字节码文件显示每次循环都会new出一个StringBuilder对象，然后进行append操作，最后通过toString方法返回String对象，造成内存资源浪费。
String str = "start";
for (int i = 0; i < 100; i++) {
str = str + "hello";
}▐ 实战Case
代码鲁棒性是运用在编程过程中的，是过程导向结果产出的特性，所以并不能用一个典型案例覆盖全部。但结合上文气泡任务需求的设计，我们可以针对特定细节详细表述。
当用户进入互动玩法频道后，代码逻辑是先获取所有当前气泡任务列表，然后判断其状态，最后根据气泡优先级进行过滤展示。其中气泡过滤过程采用了责任链模式。流程图如下所示：
核心Filter
/**
* 过滤器抽象
*
* @author la.lda
* @date 4/12/21
*/
@Data
@Slf4j
public abstract class Filter {
/**
* 气泡类型
*/
public BubbleType bubbleType;
/**
* 上一气泡过滤器
*/
public Filter nextFilter;
/**
* 下一气泡过滤器
*/
public Filter beforeFilter;
public Boolean beforeFilter(BubbleContext bubbleContext) {
return true;
}
public void afterFilter(BubbleContext bubbleContext) {
}
/**
* 气泡过滤逻辑
*
* @param bubbleContext
*/
abstract void Filter(BubbleContext bubbleContext);
/**
* 链式过滤器核心逻辑
*
* @param bubbleContext
*/
void doFilter(BubbleContext bubbleContext) {
if (bubbleType == null || bubbleContext == null || !bubbleContext.bubbleContextEffective()) {
return;
}
if (!beforeFilter(bubbleContext)) {
return;
}
Filter(bubbleContext);
afterFilter(bubbleContext);
if (nextFilter != null) {
nextFilter.doFilter(bubbleContext);
}
}
}在doFilter核心逻辑中，多处进行了判空和有效性检查，是防御式编程的典型行为。此处没有用到try catch捕获异常，其考虑是为了将异常传导到业务层，利于定位问题，因此在业务调用处存在try catch的异常处理。
总结
鲁棒性，是一种具有自我保护的系统特性，落实到细节的地方绝不止设计和开发环节。此外，上述设计和代码建议，意图不在于消除代码的创新性，也不是以一种标准化的姿态限定代码魔幻的边界，而更多的是给出一种较好的方式处理做事。
系统鲁棒性的构建绝不是一朝一夕就能搞定的，保持匠心精神、积累经验、不断学习才是其根本。如何做到系统稳如泰山，也许是每一位开发同学共同的使命之一吧。