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设计模式-结构型模式(七)代理模式

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代理模式的场景

在有些情况下,一个客户不能或者不想直接访问另一个对象,这时需要找一个中介帮忙完成某项任务,这个中介就是代理对象。例如,购买火车票不一定要去火车站买,可以通过 12306 网站或者去火车票代售点买。又如找女朋友、找保姆、找工作等都可以通过找中介完成。

在软件设计中,使用代理模式的例子也很多,例如,要访问的远程对象比较大(如视频或大图像等),其下载要花很多时间。还有因为安全原因需要屏蔽客户端直接访问真实对象,如某单位的内部数据库等。

 

代理模式的定义与特点

代理模式的定义:由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时,访问对象不适合或者不能直接引用目标对象,代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

代理模式的主要优点有:

  • 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用;
  • 代理对象可以扩展目标对象的功能;
  • 代理模式能将客户端与目标对象分离,在一定程度上降低了系统的耦合度,增加了程序的可扩展性

其主要缺点是:

  • 代理模式会造成系统设计中类的数量增加
  • 在客户端和目标对象之间增加一个代理对象,会造成请求处理速度变慢;
  • 增加了系统的复杂度;

那么如何解决以上提到的缺点呢?答案是可以使用动态代理方式

代理模式的结构与实现

代理模式的结构比较简单,主要是通过定义一个继承抽象主题的代理来包含真实主题,从而实现对真实主题的访问,下面来分析其基本结构和实现方法。

模式的结构

代理模式的主要角色如下。

  1. 抽象主题(Subject)类:通过接口或抽象类声明真实主题和代理对象实现的业务方法。
  2. 真实主题(Real Subject)类:实现了抽象主题中的具体业务,是代理对象所代表的真实对象,是最终要引用的对象。
  3. 代理(Proxy)类:提供了与真实主题相同的接口,其内部含有对真实主题的引用,它可以访问、控制或扩展真实主题的功能。

 

设计模式-结构型模式(七)代理模式
代理模式的结构图

在代码中,一般代理会被理解为代码增强,实际上就是在原代码逻辑前后增加一些代码逻辑,而使调用者无感知。

根据代理的创建时期,代理模式分为静态代理和动态代理。

  • 静态:由程序员创建代理类或特定工具自动生成源代码再对其编译,在程序运行前代理类的 .class 文件就已经存在了。
  • 动态:在程序运行时,运用反射机制动态创建而成

模式的实现

代理模式的实现代码如下:

package proxy;

public class ProxyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Proxy proxy = new Proxy();
        proxy.Request();
    }
}

//抽象主题
interface Subject {
    void Request();
}

//真实主题
class RealSubject implements Subject {
    public void Request() {
        System.out.println("访问真实主题方法...");
    }
}

//代理
class Proxy implements Subject {
    private RealSubject realSubject;

    public void Request() {
        if (realSubject == null) {
            realSubject = new RealSubject();
        }
        preRequest();
        realSubject.Request();
        postRequest();
    }

    public void preRequest() {
        System.out.println("访问真实主题之前的预处理。");
    }

    public void postRequest() {
        System.out.println("访问真实主题之后的后续处理。");
    }
}

程序运行的结果如下:

访问真实主题之前的预处理。
访问真实主题方法...
访问真实主题之后的后续处理。

代理模式,即Proxy,它和Adapter模式很类似。我们先回顾Adapter模式,它用于把A接口转换为B接口:

public BAdapter implements B {
    private A a;
    public BAdapter(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void b() {
        a.a();
    }
}

而Proxy模式不是把A接口转换成B接口,它还是转换成A接口:

public AProxy implements A {
    private A a;
    public AProxy(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void a() {
        this.a.a();
    }
}

合着Proxy就是为了给A接口再包一层,这不是脱了裤子放屁吗?

当然不是。我们观察Proxy的实现A接口的方法:

public void a() {
    this.a.a();
}

这样写当然没啥卵用。但是,如果我们在调用a.a()的前后,加一些额外的代码:

public void a() {
    if (getCurrentUser().isRoot()) {
        this.a.a();
    } else {
        throw new SecurityException("Forbidden");
    }
}

这样一来,我们就实现了权限检查,只有符合要求的用户,才会真正调用目标方法,否则,会直接抛出异常。

有的童鞋会问,为啥不把权限检查的功能直接写到目标实例A的内部?

因为我们编写代码的原则有:

  • 职责清晰:一个类只负责一件事;
  • 易于测试:一次只测一个功能。

用Proxy实现这个权限检查,我们可以获得更清晰、更简洁的代码:

  • A接口:只定义接口;
  • ABusiness类:只实现A接口的业务逻辑;
  • APermissionProxy类:只实现A接口的权限检查代理。

如果我们希望编写其他类型的代理,可以继续增加类似ALogProxy,而不必对现有的A接口、ABusiness类进行修改。

实际上权限检查只是代理模式的一种应用。Proxy还广泛应用在:

远程代理

远程代理即Remote Proxy,本地的调用者持有的接口实际上是一个代理,这个代理负责把对接口的方法访问转换成远程调用,然后返回结果。Java内置的RMI机制就是一个完整的远程代理模式。

虚代理

虚代理即Virtual Proxy,它让调用者先持有一个代理对象,但真正的对象尚未创建。如果没有必要,这个真正的对象是不会被创建的,直到客户端需要真的必须调用时,才创建真正的对象。JDBC的连接池返回的JDBC连接(Connection对象)就可以是一个虚代理,即获取连接时根本没有任何实际的数据库连接,直到第一次执行JDBC查询或更新操作时,才真正创建实际的JDBC连接。

保护代理

保护代理即Protection Proxy,它用代理对象控制对原始对象的访问,常用于鉴权。

智能引用

智能引用即Smart Reference,它也是一种代理对象,如果有很多客户端对它进行访问,通过内部的计数器可以在外部调用者都不使用后自动释放它。

我们来看一下如何应用代理模式编写一个JDBC连接池(DataSource)。我们首先来编写一个虚代理,即如果调用者获取到Connection后,并没有执行任何SQL操作,那么这个Connection Proxy实际上并不会真正打开JDBC连接。调用者代码如下:

DataSource lazyDataSource = new LazyDataSource(jdbcUrl, jdbcUsername, jdbcPassword);
System.out.println("get lazy connection...");
try (Connection conn1 = lazyDataSource.getConnection()) {
    // 并没有实际打开真正的Connection
}
System.out.println("get lazy connection...");
try (Connection conn2 = lazyDataSource.getConnection()) {
    try (PreparedStatement ps = conn2.prepareStatement("SELECT * FROM students")) { // 打开了真正的Connection
        try (ResultSet rs = ps.executeQuery()) {
            while (rs.next()) {
                System.out.println(rs.getString("name"));
            }
        }
    }
}

现在我们来思考如何实现这个LazyConnectionProxy。为了简化代码,我们首先针对Connection接口做一个抽象的代理类:

public abstract class AbstractConnectionProxy implements Connection {

    // 抽象方法获取实际的Connection:
    protected abstract Connection getRealConnection();

    // 实现Connection接口的每一个方法:
    public Statement createStatement() throws SQLException {
        return getRealConnection().createStatement();
    }

    public PreparedStatement prepareStatement(String sql) throws SQLException {
        return getRealConnection().prepareStatement(sql);
    }

    ...其他代理方法...
}

这个AbstractConnectionProxy代理类的作用是把Connection接口定义的方法全部实现一遍,因为Connection接口定义的方法太多了,后面我们要编写的LazyConnectionProxy只需要继承AbstractConnectionProxy,就不必再把Connection接口方法挨个实现一遍。

LazyConnectionProxy实现如下:

public class LazyConnectionProxy extends AbstractConnectionProxy {
    private Supplier<Connection> supplier;
    private Connection target = null;

    public LazyConnectionProxy(Supplier<Connection> supplier) {
        this.supplier = supplier;
    }

    // 覆写close方法:只有target不为null时才需要关闭:
    public void close() throws SQLException {
        if (target != null) {
            System.out.println("Close connection: " + target);
            super.close();
        }
    }

    @Override
    protected Connection getRealConnection() {
        if (target == null) {
            target = supplier.get();
        }
        return target;
    }
}

如果调用者没有执行任何SQL语句,那么target字段始终为null。只有第一次执行SQL语句时(即调用任何类似prepareStatement()方法时,触发getRealConnection()调用),才会真正打开实际的JDBC Connection。

最后,我们还需要编写一个LazyDataSource来支持这个LazyConnecitonProxy

public class LazyDataSource implements DataSource {
    private String url;
    private String username;
    private String password;

    public LazyDataSource(String url, String username, String password) {
        this.url = url;
        this.username = username;
        this.password = password;
    }

    public Connection getConnection(String username, String password) throws SQLException {
        return new LazyConnectionProxy(() -> {
            try {
                Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, password);
                System.out.println("Open connection: " + conn);
                return conn;
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
    }
    ...
}

我们执行代码,输出如下:

get lazy connection...
get lazy connection...
Open connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@7a36aefa
小明
小红
小军
小白
...
Close connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@7a36aefa

可见第一个getConnection()调用获取到的LazyConnectionProxy并没有实际打开真正的JDBC Connection。

使用连接池的时候,我们更希望能重复使用连接。如果调用方编写这样的代码:

DataSource pooledDataSource = new PooledDataSource(jdbcUrl, jdbcUsername, jdbcPassword);
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
}
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
    // 获取到的是同一个Connection
}
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
    // 获取到的是同一个Connection
}

调用方并不关心是否复用了Connection,但从PooledDataSource获取的Connection确实自带这个优化功能。如何实现可复用Connection的连接池?答案仍然是使用代理模式。

public class PooledConnectionProxy extends AbstractConnectionProxy {
    // 实际的Connection:
    Connection target;
    // 空闲队列:
    Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue;

    public PooledConnectionProxy(Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue, Connection target) {
        this.idleQueue = idleQueue;
        this.target = target;
    }

    public void close() throws SQLException {
        System.out.println("Fake close and released to idle queue for future reuse: " + target);
        // 并没有调用实际Connection的close()方法,
        // 而是把自己放入空闲队列:
        idleQueue.offer(this);
    }

    protected Connection getRealConnection() {
        return target;
    }
}

复用连接的关键在于覆写close()方法,它并没有真正关闭底层JDBC连接,而是把自己放回一个空闲队列,以便下次使用。

空闲队列由PooledDataSource负责维护:

public class PooledDataSource implements DataSource {
    private String url;
    private String username;
    private String password;

    // 维护一个空闲队列:
    private Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100);

    public PooledDataSource(String url, String username, String password) {
        this.url = url;
        this.username = username;
        this.password = password;
    }

    public Connection getConnection(String username, String password) throws SQLException {
        // 首先试图获取一个空闲连接:
        PooledConnectionProxy conn = idleQueue.poll();
        if (conn == null) {
            // 没有空闲连接时,打开一个新连接:
            conn = openNewConnection();
        } else {
            System.out.println("Return pooled connection: " + conn.target);
        }
        return conn;
    }

    private PooledConnectionProxy openNewConnection() throws SQLException {
        Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, password);
        System.out.println("Open new connection: " + conn);
        return new PooledConnectionProxy(idleQueue, conn);
    }
    ...
}

我们执行调用方代码,输出如下:

Open new connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Return pooled connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Return pooled connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa

除了第一次打开了一个真正的JDBC Connection,后续获取的Connection实际上是同一个JDBC Connection。但是,对于调用方来说,完全不需要知道底层做了哪些优化。

我们实际使用的DataSource,例如HikariCP,都是基于代理模式实现的,原理同上,但增加了更多的如动态伸缩的功能(一个连接空闲一段时间后自动关闭)。

有的童鞋会发现Proxy模式和Decorator模式有些类似。确实,这两者看起来很像,但区别在于:Decorator模式让调用者自己创建核心类,然后组合各种功能,而Proxy模式决不能让调用者自己创建再组合,否则就失去了代理的功能。Proxy模式让调用者认为获取到的是核心类接口,但实际上是代理类。


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悠扬
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10年以上工作经验,从事2年微服务架构搭建工作,有大数据处理相关工作经验,使用spring全家桶包括:Spring,SpringBoot,SpringCloud 数据层组件服务使用SpringDataJpa,Mybatis以及其他第三方组件Sharding-JDBC,Sharding-Proxy分库分表。熟悉微服务,服务降级,限流,分流,做过项目源码修改,有cat,apollo,nacos使用经验,有Lostash,Elasticsearch,kibana,mysqlMHA生产实践经验,使用开源代码Apache Sarding项目,修改源码支持mysql分库分表使用年月日小时分库分表,docker做集群服务,Jekins做项目发布,GitLab做项目管理,使用docker容器部署,熟悉消息队列RabbitMQ,Kafka,ActiveMQ。RuoYi-Vue-Atomikos项目开源加入生态圈组件,项目支持分布式事务,界面添加多数据源,数据源动态配置,切面切换,多数据源事务支持,支持区域数据源配置,用于区域数据切分,数据层次分库。项目地址:https://gitee.com/zsiyang/ruoyi-vue-atomikos
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