Identity Map 模式在 Java 中的实现：保证对象只加载一次的内存缓存方案-开发者社区

示例工程
教程

【免费下载链接】java-design-patterns

Design patterns implemented in Java

项目地址：https://gitcode.com/GitHub_Trending/ja/java-design-patterns

导读

Identity Map（身份映射表）是面向数据库访问场景的关键设计模式，核心思想是保证每个业务对象在整个会话内只从数据库加载一次，之后的所有引用都从内存中的映射表复用同一实例。本仓库 java-design-patterns 的 identity-map 模块以"按身份证号查询人员档案"为演示场景，完整实现了该模式。阅读本文后，你将掌握 Identity Map 的模式意图、类结构、缓存命中与未命中的查找流程、异常处理策略，以及如何通过单元测试验证缓存行为的正确性，并理解它与 Data Mapper、Unit of Work 等企业级持久化模式的关系。

Identity Map 模式类图

Identity Map 查找流程时序图

模式意图：为什么需要 Identity Map

Identity Map 模式的目的可以用一句话概括：通过把每个已加载的对象保存在一张 Map 中，确保每个对象只被加载一次；当再次引用该对象时，直接从 Map 中查找并返回（见 localization/es/identity-map/README.md）。

在典型的数据库应用中，反复查询同一条记录会产生三类问题：

重复加载：同一份数据在内存中被实例化成多个对象，白白浪费内存；
引用不一致：应用不同模块各自持有"同一行数据"的不同对象，一处修改另一处不可见，破坏引用完整性；
无谓的 IO：相同数据的重复查询增加了数据库调用次数，拖慢性能。

Wikipedia 对该模式的定义精准地概括了它的定位：

在 DBMS 的设计中，identity map 模式是一种数据库访问设计模式，用于通过提供特定上下文的内存缓存，避免从数据库中重复检索同一对象数据，从而提升性能。

用更朴素的语言来说：构建一张身份映射表，把最近在数据库中查过的记录存进去；下次再查同一条记录时，直接从映射表取，不再访问数据库。

现实世界的类比

设想你正在组织一场会议，签到台的工作人员第一次为与会者登记时，会把信息录入系统；当同一位与会者再次来到签到台，系统直接调出他的资料，无需重新提交。Identity Map 正是如此：每个对象只加载一次，并在整个应用生命周期内被反复复用。

模块结构：五个核心类的分工

在深入代码前，先了解本模块的完整文件布局（源码位于 identity-map/src/main/java/com/iluwatar/identitymap）：

类	角色	职责
Person.java	实体	业务记录，`personNationalId`作为唯一标识
IdentityMap.java	缓存	以`HashMap<Integer, Person>`维护"已加载对象"
PersonFinder.java	门面/查找器	对外提供查找入口，协调缓存与数据库
PersonDbSimulator.java	数据库接口	定义`find/insert/update/delete`契约
PersonDbSimulatorImplementation.java	模拟数据库	用内存`List`模拟数据表及 CRUD 操作
IdNotFoundException.java	异常	记录不存在时控制流程的运行时异常

类图（identity-map/etc/IdentityMap.png）清晰展示了PersonFinder同时持有IdentityMap与数据库对象的引用关系：它是连接缓存层与数据层的枢纽。

核心源码解读：实体、缓存与查找器

实体 Person：唯一标识决定"同一性"

Person.java 是一个不可变风格的实体类，其关键设计在于用 Lombok 注解精确定义"对象同一性"：

@EqualsAndHashCode(onlyExplicitlyIncluded = true) @Getter @Setter @AllArgsConstructor public final class Person implements Serializable { @Serial private static final long serialVersionUID = 1L; @EqualsAndHashCode.Include private int personNationalId; private String name; private long phoneNum; @Override public String toString() { return "Person ID is : " + personNationalId + " ; Person Name is : " + name + " ; Phone Number is :" + phoneNum; } }

@EqualsAndHashCode(onlyExplicitlyIncluded = true)配合@EqualsAndHashCode.Include意味着：两个 Person 是否相等，只取决于personNationalId，与姓名、电话无关。这从语义上保证了"同一身份证号 = 同一人"，也正是 Identity Map 判定缓存命中的理论基础——Map 的 key 就是personNationalId，任何两个同 ID 的 Person 实例都被视为同一逻辑对象。

缓存 IdentityMap：HashMap 的薄封装

IdentityMap.java 本质是对HashMap<Integer, Person>的封装，提供三个方法：

@Slf4j @Getter public class IdentityMap { private Map<Integer, Person> personMap = new HashMap<>(); public void addPerson(Person person) { if (!personMap.containsKey(person.getPersonNationalId())) { personMap.put(person.getPersonNationalId(), person); } else { // 防止 addPerson 更新已有记录，仅用于测试场景 LOGGER.info("Key already in Map"); } } public Person getPerson(int id) { Person person = personMap.get(id); if (person == null) { LOGGER.info("ID not in Map."); } return person; } public int size() { if (personMap == null) { return 0; } return personMap.size(); } }

值得注意的细节是addPerson的防重复策略：当 key 已存在时只打印日志、不覆盖原记录。源码注释明确说明这是"确保addPerson不会更新已有记录"——缓存层只负责记录"首次加载"，后续数据变更应由显式的更新流程处理，避免缓存被静默污染。

查找器 PersonFinder：缓存优先的核心流程

PersonFinder.java 是模式逻辑的集中体现，其类注释概括了整体行为："先检查对象是否已缓存在 Identity Map 中并直接返回；否则访问数据库、将记录存入 Identity Map 后再返回，后续查找将命中缓存，使查询更快。"

@Slf4j @Getter @Setter public class PersonFinder { private static final long serialVersionUID = 1L; // 访问 Identity Map private IdentityMap identityMap = new IdentityMap(); private PersonDbSimulatorImplementation db = new PersonDbSimulatorImplementation(); public Person getPerson(int key) { // 先在 Identity Map 中查找 Person person = this.identityMap.getPerson(key); if (person != null) { LOGGER.info("Person found in the Map"); return person; } else { // 缓存未命中，去数据库查找 person = this.db.find(key); if (person != null) { this.identityMap.addPerson(person); LOGGER.info("Person found in DB."); return person; } LOGGER.info("Person with this ID does not exist."); return null; } } }

这段代码完整实现了"缓存优先"的查找算法，可用三步概括：

查缓存：调用identityMap.getPerson(key)，命中则直接返回（日志：Person found in the Map）；
查数据库：未命中则调用db.find(key)，找到后先addPerson写入缓存再返回（日志：Person found in DB.）；
兜底处理：两处均未找到，打印提示并返回null。

从调用链来看，getPerson的返回对象永远是同一实例——第二次查询虽然从 Map 拿到的是同一个Person引用，却省掉了一次数据库访问，这正是模式降低 IO、维持引用一致性的机理。

模拟数据库：真实的 CRUD 语义

为了让演示不依赖外部数据库，本模块用 PersonDbSimulatorImplementation.java 以内存List<Person>模拟数据表，personNationalId充当主键。接口 PersonDbSimulator.java 定义了四个操作：

find(int personNationalId)：按主键流式过滤查找，不存在时抛出IdNotFoundException；
insert(Person person)：主键已存在则提示Record already exists.，否则追加到列表；
update(Person person)：用同 ID 的新 Person 覆盖姓名与电话（源码中通过elem.get().setName(...)实现），不存在则抛异常；
delete(int id)：删除指定主键记录，不存在则抛异常。

异常类 IdNotFoundException.java 继承RuntimeException，其注释说明它是"在 Person ID 不存在时控制流程"的工具——即用异常而非空返回值标记"查无此人"，使调用方（含测试）能够通过assertThrows明确断言失败场景。

完整可运行示例：从入库到缓存命中

App.java 是模块入口（mainClass已在 identity-map/pom.xml 中声明为com.iluwatar.identitymap.App），演示了完整的使用链路：

public static void main(String[] args) { // 构造 5 条虚拟人员记录 Person person1 = new Person(1, "John", 27304159); Person person2 = new Person(2, "Thomas", 42273631); Person person3 = new Person(3, "Arthur", 27489171); Person person4 = new Person(4, "Finn", 20499078); Person person5 = new Person(5, "Michael", 40599078); // 初始化数据库并入库 PersonDbSimulatorImplementation db = new PersonDbSimulatorImplementation(); db.insert(person1); db.insert(person2); db.insert(person3); db.insert(person4); db.insert(person5); // 初始化查找器并绑定数据库 PersonFinder finder = new PersonFinder(); finder.setDb(db); // 前三次查找：缓存未命中，从数据库加载 LOGGER.info(finder.getPerson(2).toString()); LOGGER.info(finder.getPerson(4).toString()); LOGGER.info(finder.getPerson(5).toString()); // 第四次查找：缓存命中，不再访问数据库 LOGGER.info(finder.getPerson(2).toString()); }

运行后控制台输出（日志格式为 SLF4J/Logback 标准输出）：

... INFO com.iluwatar.identitymap.IdentityMap -- ID not in Map. ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonDbSimulatorImplementation -- Person ID is : 2 ; Person Name is : Thomas ; Phone Number is :42273631 ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonFinder -- Person found in DB. ... INFO com.iluwatar.identitymap.App -- Person ID is : 2 ; Person Name is : Thomas ; Phone Number is :42273631 ... INFO com.iluwatar.identitymap.IdentityMap -- ID not in Map. ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonDbSimulatorImplementation -- Person ID is : 4 ; Person Name is : Finn ; Phone Number is :20499078 ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonFinder -- Person found in DB. ... INFO com.iluwatar.identitymap.App -- Person ID is : 4 ; Person Name is : Finn ; Phone Number is :20499078 ... INFO com.iluwatar.identitymap.IdentityMap -- ID not in Map. ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonDbSimulatorImplementation -- Person ID is : 5 ; Person Name is : Michael ; Phone Number is :40599078 ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonFinder -- Person found in DB. ... INFO com.iluwatar.identitymap.App -- Person ID is : 5 ; Person Name is : Michael ; Phone Number is :40599078 ... INFO com.iluwatar.identitymap.IdentityMap -- Person ID is : 2 ; Person Name is : Thomas ; Phone Number is :42273631 ... INFO com.iluwatar.identitymap.PersonFinder -- Person found in the Map ... INFO com.iluwatar.identitymap.App -- Person ID is : 2 ; Person Name is : Thomas ; Phone Number is :42273631

逐行对比可以发现关键差异：查询 ID 为 2 的 Thomas 时，第一次经过IdentityMap -- ID not in Map.→PersonDbSimulatorImplementation（数据库）→Person found in DB.三跳；第二次则直接从IdentityMap返回对象并打印Person found in the Map，全程不触碰数据库。这直观验证了缓存命中的行为：相同 ID 的记录，数据库只被访问一次。

如何运行

在仓库根目录下，以 Maven 包装器执行即可编译、测试并运行该模块：

# 运行 identity-map 模块的 App 主类 ./mvnw -pl identity-map exec:java -Dexec.mainClass="com.iluwatar.identitymap.App" # 或仅运行该模块的测试 ./mvnw -pl identity-map test

模块依赖关系（见 identity-map/pom.xml）非常精简：仅依赖slf4j-api、logback-classic（日志）与junit-jupiter-engine（测试），无任何第三方 ORM 框架，便于聚焦模式本身。

测试验证：缓存行为的自动化保障

模块提供了五组 JUnit 5 测试，其中与模式语义最相关的三组值得研读：

1. 命中缓存路径 —— PersonFinderTest.java

personFoundInIdMap测试完整复现了"首次入库、二次命中"的断言链：

// 确保 key=3 此刻不在缓存中 Assertions.assertFalse(personFinder.getIdentityMap().getPersonMap().containsKey(3)); // 首次查找：从数据库加载 Assertions.assertEquals(person3, personFinder.getPerson(3), "Finder returns incorrect record."); // 查找后确认该记录已被写入缓存 Assertions.assertTrue(personFinder.getIdentityMap().getPersonMap().containsKey(3)); // 再次查找：这次应从缓存命中，结果一致 Assertions.assertEquals(person3, personFinder.getPerson(3), "Finder returns incorrect record.");

2. 缓存防重复 —— IdentityMapTest.java

addToMap测试构造了两个personNationalId同为 11 的 Person（电话号码不同），连续调用addPerson后断言：

// 5 次添加、4 个不同 ID → 缓存大小必须为 4（不允许重复） Assertions.assertEquals(4, idMap.size(), "Size of the map is incorrect"); // 且 addPerson 不得用后添加的同 ID 记录覆盖原记录（电话号码保持 27304159） Assertions.assertEquals(27304159, idMap.getPerson(11).getPhoneNum(), "Incorrect return value for phone number");

这从测试层面印证了addPerson的"只写一次、不覆盖"语义，正是保证缓存数据稳定的关键约束。

3. 异常路径 —— 记录不存在

PersonDbSimulatorImplementationTest.java 对find、update、delete三种操作均断言了IdNotFoundException的抛出；PersonFinderTest.java 中的personNotFoundInDB则验证了查找器对"查无此人"的异常传导。

适用场景：何时使用 Identity Map

从模式定义和源码实现可以总结出以下适用条件（原文档 "Aplicabilidad" 部分的完整表述）：

同一会话/事务内对同一数据存在多次访问：每次读取记录前先检查 Identity Map，若已检索过就直接返回内存中的现有引用，而不是新建对象——这是模式的首要价值，即维护引用完整性（referential integrity）；
希望减少数据库调用次数：作为缓存的副作用，Identity Map 降低了检索对象的数据库访问次数，带来直接的性能提升。

从更广的行业视角看，Identity Map 在以下场景中尤其常见：

ORM（对象关系映射）框架：Hibernate 等 Java ORM 框架在持久化上下文中正是借助 Identity Map 保证"同一持久化上下文内同一实体只有一个实例"，从而支持脏检查与变更追踪；
企业级应用：在跨多个业务流程共享数据状态的场景中，Identity Map 帮助维持数据状态的一致性。