Dirty Flag 模式及其应用

　　之前在开发中就发现“dirty”是一种不错的解决方案：可以用来延缓计算或者避免不必要的计算。后来在想，这应该也算一种设计模式吧，于是搜索“Dirty设计模式”，没有什么结果，然后换成英文“Dirty design pattern”，搜到了《game programming patterns》这本电子书。书中介绍了Dirty Flag 模式在游戏客户端的应用场景，如果英文不好，这里也有中文翻译。本文结合几个具体的例子，介绍什么是Dirty Flag 模式，并分析该模式的适用场景以及使用注意事项。

什么是Dirty Flag：

　　简单来说，就是用一个标志位（flag）来表示一组数据的状态，这些数据要么是用来计算，或者用来需要同步。在满足条件的时候设置标志位，然后需要的时候检查（check）标志位。如果设置了标志位，那么表示这组数据处于dirty状态，这个时候需要重新计算或者同步。如果flag没有被设置，那么可以不计算（或者利用缓存的计算结果）。另外，在两次check之间，即使有多次标志位的设置，也只需要计算一次。

　　因此，Dirty Flag模式的本质作用在于：延缓计算或数据同步，甚至减少无谓的计算或者同步。计算比较容易理解，对于同步，后面也会给出例子。在后面的描述中，除非特殊说明，计算也包含了同步。

Dirty Flag使用实例：

　　首先，《game programming pattern》中的例子非常形象生动，图文并茂，建议直接阅读原文，本文不再复述。接下来介绍几个其他的例子。

First

    游戏开发中，有大量的物体（Entity）需要每帧tick（AI、位移），每次tick的时候检查一些条件然后做出反应。对于一些entity，可能tick检查之后发现什么都不用做，但每次tick检查也比较耗时，而且出现这种情况的概率还很高。

    利用dirty可以改造一些

 def set_need_tick(self， is_need):
     self.need_tick = is_need

 def tick(self):
     if self.need_tick:
         self.do_tick() # do_tick 需要做大量的检查，较为耗时

　　上面的代码每次调用tick的时候用一次条件判断，还可能嵌套一次函数调用，修改后代码如下：

 def dummy_tick(self):
     pass
 def set_need_tick(self, is_need):
     if is_need:
         self.tick = self.do_tick
     else:
         self.tick = self.dummy_tick

    不过上述的代码也是空间换时间，因为每个实例都增加了一个tick属性（原来是类属性）

Second

　　之前在看bottle的代码时，看到了下面这个property，其作用是在首次调用的时候计算属性的值，之后就不用重新计算了。

 class cached_property(object):
     """ A property that is only computed once per instance and then replaces
         itself with an ordinary attribute. Deleting the attribute resets the
         property. """

     def __init__(self, func):
         update_wrapper(self, func)
         self.func = func

     def __get__(self, obj, cls):
         if obj is None: return self
         value = obj.__dict__[self.func.__name__] = self.func(obj)
         return value

　　如果一时不能理解上面的代码，可以参见这篇文章《python属性查找》。bottle中这个例子，前提是这个属性一旦计算了就不会再重新计算，如果应用场景在某些情况下需要重新计算呢？那么可以增加这么一个函数：

     def set_property_dirty(self, property_name):
         self.__dict__.pop(property_name, None)

　　在需要的时候调用这个设置函数就行了，在这个例子中，并没有对某个属性的设置和检查，但配合之前的cached_property，作用是很明显的：缓存计算结果，需要的时候重新计算。下面是完整测试代码

　　

 import functools, time
 class cached_property(object):
     """ A property that is only computed once per instance and then replaces
         itself with an ordinary attribute. Deleting the attribute resets the
         property. """

     def __init__(self, func):
         functools.update_wrapper(self, func)
         self.func = func

     def __get__(self, obj, cls):
         if obj is None: return self
         value = obj.__dict__[self.func.__name__] = self.func(obj)
         return value

 class TestClz(object):
     @cached_property
     def complex_calc(self):
         print 'very complex_calc'
         return sum(range(100))

     def __set_property_dirty(self, property_name = 'complex_calc'):
         self.__dict__.pop(property_name, None)

     def some_action_effect_property(self):
         self.__set_property_dirty()

 if __name__=='__main__':
     t = TestClz()
     print '>>> first call'
     print t.complex_calc
     print '>>> second call'
     print t.complex_calc
     print '>>>third call'
     t.some_action_effect_property()
     print t.complex_calc

cache property and dirty

Third

　　游戏数据存档，游戏中的大量对象都需要持久化（存档），存档有各种不同的策略。第一种，每次属性变化的时候存档，这样数据不容易丢失，但是往往会存在冗余，数据库压力也较大，比如属性A的变化影响到属性B（经验的增加导致等级的变化），那么属性A变化的时候进行一次存档，属性B变换的时候又要存档。另一种策略是，定期存档，即以固定的时间间隔进行一次存档，当然可以进一步，在需要持久话的数据变化时设置dirty flag，在定期存档的时机只有设置了dirty flag才真正存储。

 

Fourth

　　这个例子是Dirty Flag的升级版本，暂且称之为tag Flag吧。比如页面上有一些图表，图表是通过大量数据的数据计算然后绘制出来的，图表内容可以通过用户主动点击刷新或者定时刷新。简单的策略是每次刷新的时候服务器返回所有数据，浏览器重新显示。但事实上服务端数据变化可能不那么频繁，既浪费了大量的带宽，又让浏览器无谓的重复绘制。

　　其中一种解决的办法，就是为数据增加一个签名--tag（自增整型），对于服务器端，每次数据变化的时候tag += 1。浏览器首次请求的时候获取数据以及当前数据对应的tag，之后请求的时候携带tag与服务端的tag做比较，若tag一致，则无需更新数据，否则返回新的数据和新的tag。这样，所有的客户端都能利用这个tag来决定自己是否要刷新数据。

 

Fifth

　　Dirty在web前端还有许多其他应用，比如angularJS和KnockoutJS，由于本人并不熟悉web前端，感兴趣的读者可以参考链接

适用场景：

    正如《game programming patterns》中的归类， Dirty Flag pattern属于optimization pattern，只有需要优化的时候才考虑使用该模式。有人说，”过早的优化是万恶之源“，我觉得这对于Dirty Flag还是比较合适的，Dirty Flag的使用不是那么自然，跟业务逻辑本身也是无关的，只有在Profile确定瓶颈之后再来考虑是否可以用Dirty Flag优化。

    某些计算（或者同步）较为昂贵且频繁，但事实上很多情况无需计算（或者同步），通过Dirty Flag来标志真正需要计算（或者同步）的情况，降低开销。

 

使用条件：

　　当满足下面所有条件，或者说权衡下面的所有条件之后还可以接受，那么才建议使用Dirty Flag模式。

第一：单次计算的开销足够大

    这个是首要条件，如果每次计算的开销非常小，那么就没有必要用Dirty Flag来优化了，因为增加标志位既增加了编码复杂度，又带来了一定的开销（标志位的设置与清除）。单次计算的开销可以通过profile来确定。

 

第二：事实上需要计算的概率足够低

　　我们还是以游戏为例，假设游戏的是60帧，即每秒tick60次。如果一个计算每次（每帧）都有很大的概率“必须”重新计算，那dirty flag反而增加了额外的开销。

 

第三：延迟计算没有副作用

　　如《game programming pattern》中的例子所示，Dirty Flag在这个例子导致延迟计算，延迟计算会将分散在不同时间进行的计算集中到检查的时刻，这样可能带来一些副作用，比如造成游戏卡顿。另外，对于游戏存档的例子，如果在两次定期存储之间服务器宕机，可能会数据丢失。

 

第四：内存换速度的代价

    使用dirty模式，很多时候需要缓存结果，这需要额外的内存，对于某些场景，还有缓存命中率的问题，在内存稀缺的移动设备上尤其需要权衡。

 

注意事项：

第一：标志位的设置必须覆盖到所有可能影响的地方

　　如果某些操作遗漏了对标志位的位置，那么往往会导致严重的错误。这个也跟标志位的粒度有关。大多数情况都是因为对某个属性的修改，导致需要重新计算，在python语言中要监控到属性的修改还是很容易的，可以虫子__setattr__函数,或者使用property descriptor。

 

第二：计算之后reset标志位

 

 

references：

http://gpp.tkchu.me/dirty-flag.html

http://gameprogrammingpatterns.com/dirty-flag.html

https://gpgroup13.wordpress.com/ 

http://www.knockmeout.net/2011/05/creating-smart-dirty-flag-in-knockoutjs.html 

http://www.cnblogs.com/oneplace/p/5833142.html