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设计模式之代理模式

意图

代理模式 (Proxy) 是一种结构型设计模式，为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

代理模式介绍了一种访问对象的间接等级。
一个远程代理可以隐藏一个对象在不同地址空间的细节。
一个虚拟代理可以根据需要最优化创建对象的开销。
而安全代理和智能指引都允许访问对象的同时处理其他事务。

适用场景

延迟初始化（虚拟代理）。如果你有一个偶尔使用的重量级服务对象，一直保持该对象运行会消耗系统资源时，可使用代理模式。
访问控制（保护代理）。如果你只希望特定客户端使用服务对象，这里的对象可以是操作系统中非常重要的部分，而客户端则是各种已启动的程序（包括恶意程序），此时可使用代理模式。
本地执行远程服务（远程代理）。适用于服务对象位于远程服务器上的情形。
记录日志请求（日志记录代理）。适用于当你需要保存对于服务对象的请求历史记录时。代理可以在向服务传递请求前进行记录。
智能引用。可在没有客户端使用某个重量级对象时立即销毁该对象。

结构

结构说明

服务接口 （Service Interface）声明了服务接口。代理必须遵循该接口才能伪装成服务对象。
服务（Service）类提供了一些实用的业务逻辑。
代理（Proxy）类包含一个指向服务对象的引用成员变量。代理完成其任务（例如延迟初始化、记录日志、访问控制和缓存等）后会将请求传递给服务对象。通常情况下，代理会对其服务对象的整个生命周期进行管理。
客户端 （Client）能通过同一接口与服务或代理进行交互，所以你可在一切需要服务对象的代码中使用代理。

结构代码范式

Subject : 定义了 RealSubject 和 Proxy 的公共接口，这样就在任何使用 RealSubject 的地方都可以使用 Proxy 。

abstract class Subject {
    public abstract void Request();
}

RealSubject : 定义 Proxy 所代表的真实实体。

class RealSubject extends Subject {
    @Override
    public void Request() {
        System.out.println("真实的请求");
    }
}

Proxy : 保存一个引用使得代理可以访问实体，并提供一个与 Subject 的接口相同的接口，这样代理就可以用来替代实体。

class Proxy extends Subject {
    private RealSubject real;

    @Override
    public void Request() {
        if (null == real) {
            real = new RealSubject();
        }
        real.Request();
    }
}

伪代码

本例演示如何使用代理模式在第三方腾讯视频（TencentVideo，代码示例中记为 TV）程序库中添加延迟初始化和缓存。

程序库提供了视频下载类。但是该类的效率非常低。如果客户端程序多次请求同一视频，程序库会反复下载该视频，而不会将首次下载的文件缓存下来复用。

代理类实现和原下载器相同的接口，并将所有工作委派给原下载器。不过，代理类会保存所有的文件下载记录，如果程序多次请求同一文件，它会返回缓存的文件。

// 远程服务接口。
interface ThirdPartyTVLib is
    method listVideos()
    method getVideoInfo(id)
    method downloadVideo(id)

// 服务连接器的具体实现。该类的方法可以向腾讯视频请求信息。请求速度取决于
// 用户和腾讯视频的互联网连接情况。如果同时发送大量请求，即使所请求的信息
// 一模一样，程序的速度依然会减慢。
class ThirdPartyTVClass implements ThirdPartyTVLib is
    method listVideos() is
        // 向腾讯视频发送一个 API 请求。

    method getVideoInfo(id) is
        // 获取某个视频的元数据。

    method downloadVideo(id) is
        // 从腾讯视频下载一个视频文件。

// 为了节省网络带宽，我们可以将请求结果缓存下来并保存一段时间。但你可能无
// 法直接将这些代码放入服务类中。比如该类可能是第三方程序库的一部分或其签
// 名是`final（最终）`。因此我们会在一个实现了服务类接口的新代理类中放入
// 缓存代码。当代理类接收到真实请求后，才会将其委派给服务对象。
class CachedTVClass implements ThirdPartyTVLib is
    private field service: ThirdPartyTVLib
    private field listCache, videoCache
    field needReset

    constructor CachedTVClass(service: ThirdPartyTVLib) is
        this.service = service

    method listVideos() is
        if (listCache == null || needReset)
            listCache = service.listVideos()
        return listCache

    method getVideoInfo(id) is
        if (videoCache == null || needReset)
            videoCache = service.getVideoInfo(id)
        return videoCache

    method downloadVideo(id) is
        if (!downloadExists(id) || needReset)
            service.downloadVideo(id)

// 之前直接与服务对象交互的 GUI 类不需要改变，前提是它仅通过接口与服务对
// 象交互。我们可以安全地传递一个代理对象来代替真实服务对象，因为它们都实
// 现了相同的接口。
class TVManager is
    protected field service: ThirdPartyTVLib

    constructor TVManager(service: ThirdPartyTVLib) is
        this.service = service

    method renderVideoPage(id) is
        info = service.getVideoInfo(id)
        // 渲染视频页面。

    method renderListPanel() is
        list = service.listVideos()
        // 渲染视频缩略图列表。

    method reactOnUserInput() is
        renderVideoPage()
        renderListPanel()

// 程序可在运行时对代理进行配置。
class Application is
    method init() is
        aTVService = new ThirdPartyTVClass()
        aTVProxy = new CachedTVClass(aTVService)
        manager = new TVManager(aTVProxy)
        manager.reactOnUserInput()

案例

使用示例： 尽管代理模式在绝大多数 Java 程序中并不常见，但它在一些特殊情况下仍然非常方便。当你希望在无需修改客户代码的前提下于已有类的对象上增加额外行为时，该模式是无可替代的。

Java 标准程序库中的一些代理模式的示例：

java.lang.reflect.Proxy
java.rmi.*
javax.ejb.EJB （查看评论）
javax.inject.Inject （查看评论）
javax.persistence.PersistenceContext

识别方法：代理模式会将所有实际工作委派给一些其他对象。除非代理是某个服务的子类，否则每个代理方法最后都应该引用一个服务对象。

注解+反射+代理消除重复代码

假设银行提供了一些 API 接口，对参数的序列化有点特殊，不使用 JSON，而是需要我们把参数依次拼在一起构成一个大字符串。

按照银行提供的 API 文档的顺序，把所有参数构成定长的数据，然后拼接在一起作为整个字符串。因为每一种参数都有固定长度，未达到长度时需要做填充处理：

字符串类型的参数不满长度部分需要以下划线右填充，也就是字符串内容靠左；
数字类型的参数不满长度部分以 0 左填充，也就是实际数字靠右；
货币类型的表示需要把金额向下舍入 2 位到分，以分为单位，作为数字类型同样进行左填充。

对所有参数做 MD5 操作作为签名（为了方便理解，Demo 中不涉及加盐处理）。

问题版本

import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import org.apache.http.client.fluent.Request;
import org.apache.http.entity.ContentType;

import java.io.IOException;
import java.math.BigDecimal;
import java.math.RoundingMode;

public class BankService {

    public static String createUser(String name, String identity, String mobile, int age) throws IOException {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //字符串靠左，多余的地方_填充
        stringBuilder.append(String.format("%-10s", name).replace(' ', '_'));
        //字符串靠左，多余的地方_填充
        stringBuilder.append(String.format("%-18s", identity).replace(' ', '_'));
        //数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%05d", age));
        //字符串靠左，多余的地方_填充
        stringBuilder.append(String.format("%-11s", mobile).replace(' ', '_'));
        //最后加上MD5作为签名
        stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
        return Request.Post("http://localhost:45678/reflection/bank/createUser")
                .bodyString(stringBuilder.toString(), ContentType.APPLICATION_JSON)
                .execute().returnContent().asString();
    }

    public static String pay(long userId, BigDecimal amount) throws IOException {
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        //数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%020d", userId));
        //金额向下舍入2位到分，以分为单位，作为数字靠右，多余的地方用0填充
        stringBuilder.append(String.format("%010d", amount.setScale(2, RoundingMode.DOWN).multiply(new BigDecimal("100")).longValue()));
        //最后加上MD5作为签名
        stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
        return Request.Post("http://localhost:45678/reflection/bank/pay")
                .bodyString(stringBuilder.toString(), ContentType.APPLICATION_JSON)
                .execute().returnContent().asString();
    }
}

在以上的代码版本中，存在以下问题：

三种标准数据类型的处理逻辑有重复，稍有不慎就会出现 Bug；
处理流程中字符串拼接、加签和发请求的逻辑，在所有方法重复；
实际方法的入参的参数类型和顺序，不一定和接口要求一致，容易出错；
代码层面针对每一个参数硬编码，无法清晰地进行核对，如果参数达到几十个、上百个，出错的概率极大。

优化版本

针对上面代码版本中的问题，可以使用 注解+反射+代理模式 解决重复代码。

【注解一】

import java.lang.annotation.*;

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.TYPE)
@Documented
@Inherited
public @interface BankAPI {

    String desc() default "";

    String url() default "";

}

【注解二】

import java.lang.annotation.*;

@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.FIELD)
@Documented
@Inherited
public @interface BankAPIField {

    int order() default -1;

    int length() default -1;

    String type() default "";

}

【抽象类】

abstract class AbstractAPI {}

【代理类】

@Slf4j
public class BetterBankService {

    public static String createUser(String name, String identity, String mobile, int age) throws IOException {
        CreateUserAPI createUserAPI = new CreateUserAPI();
        createUserAPI.setName(name);
        createUserAPI.setIdentity(identity);
        createUserAPI.setAge(age);
        createUserAPI.setMobile(mobile);
        return remoteCall(createUserAPI);
    }

    public static String pay(long userId, BigDecimal amount) throws IOException {
        PayAPI payAPI = new PayAPI();
        payAPI.setUserId(userId);
        payAPI.setAmount(amount);
        return remoteCall(payAPI);
    }

    private static String remoteCall(AbstractAPI api) throws IOException {
        //从BankAPI注解获取请求地址
        BankAPI bankAPI = api.getClass().getAnnotation(BankAPI.class);
        bankAPI.url();
        StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
        Arrays.stream(api.getClass().getDeclaredFields()) //获得所有字段
            .filter(field -> field.isAnnotationPresent(BankAPIField.class)) //查找标记了注解的字段
            .sorted(Comparator.comparingInt(a -> a.getAnnotation(BankAPIField.class).order())) //根据注解中的order对字段排序
            .peek(field -> field.setAccessible(true)) //设置可以访问私有字段
            .forEach(field -> {
                //获得注解
                BankAPIField bankAPIField = field.getAnnotation(BankAPIField.class);
                Object value = "";
                try {
                    //反射获取字段值
                    value = field.get(api);
                } catch (IllegalAccessException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                //根据字段类型以正确的填充方式格式化字符串
                switch (bankAPIField.type()) {
                    case "S": {
                        stringBuilder.append(
                            String.format("%-" + bankAPIField.length() + "s", value.toString()).replace(' ', '_'));
                        break;
                    }
                    case "N": {
                        stringBuilder.append(
                            String.format("%" + bankAPIField.length() + "s", value.toString()).replace(' ', '0'));
                        break;
                    }
                    case "M": {
                        if (!(value instanceof BigDecimal)) {
                            throw new RuntimeException(
                                String.format("{} 的 {} 必须是BigDecimal", api, field));
                        }
                        stringBuilder.append(String.format("%0" + bankAPIField.length() + "d",
                            ((BigDecimal) value).setScale(2, RoundingMode.DOWN)
                                .multiply(new BigDecimal("100"))
                                .longValue()));
                        break;
                    }
                    default:
                        break;
                }
            });
        //签名逻辑
        stringBuilder.append(DigestUtils.md2Hex(stringBuilder.toString()));
        String param = stringBuilder.toString();
        long begin = System.currentTimeMillis();
        //发请求
        String result = Request.Post("http://localhost:45678/reflection" + bankAPI.url())
            .bodyString(param, ContentType.APPLICATION_JSON)
            .execute().returnContent().asString();
        log.info("调用银行API {} url:{} 参数:{} 耗时:{}ms", bankAPI.desc(), bankAPI.url(), param,
            System.currentTimeMillis() - begin);
        return result;
    }

}

【注解修饰的 API 接口一】

import lombok.Data;

@BankAPI(url = "/bank/createUser", desc = "创建用户接口")
@Data
public class CreateUserAPI extends AbstractAPI {

    @BankAPIField(order = 1, type = "S", length = 10)
    private String name;
    @BankAPIField(order = 2, type = "S", length = 18)
    private String identity;
    @BankAPIField(order = 4, type = "S", length = 11)
    private String mobile;
    @BankAPIField(order = 3, type = "N", length = 5)
    private int age;

}

【注解修饰的 API 接口二】

import lombok.Data;

import java.math.BigDecimal;

@BankAPI(url = "/bank/pay", desc = "支付接口")
@Data
public class PayAPI extends AbstractAPI {

    @BankAPIField(order = 1, type = "N", length = 20)
    private long userId;
    @BankAPIField(order = 2, type = "M", length = 10)
    private BigDecimal amount;

}

与其他模式的关系

适配器模式能为被封装对象提供不同的接口，代理模式能为对象提供相同的接口，装饰模式则能为对象提供加强的接口。
外观模式与代理的相似之处在于它们都缓存了一个复杂实体并自行对其进行初始化。代理与其服务对象遵循同一接口，使得自己和服务对象可以互换，在这一点上它与外观不同。
装饰和代理有着相似的结构，但是其意图却非常不同。这两个模式的构建都基于组合原则，也就是说一个对象应该将部分工作委派给另一个对象。两者之间的不同之处在于代理通常自行管理其服务对象的生命周期，而装饰的生成则总是由客户端进行控制。

参考资料

《Head First 设计模式》
《大话设计模式》
设计模式教程

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