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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
设计模式-05.02-行为型-策略&职责链 |
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策略模式，职责链模式 |
不多说，看文章 |
2c3cc5fd |
2021-08-01 08:51:58 -0700 |
策略模式。在实际的项目开发中，这个模式也比较常用。最常见的应用场景是，利用它来避免冗长的 if-else 或 switch 分支判断。不过，它的作用还不止如此。它也可以像模板模式那样，提供框架的扩展点等等。
- 策略模式，英文全称是 Strategy Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，它是这样定义的：
Define a family of algorithms, encapsulate each one, and make them interchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from clients that use it.
- 翻译成中文就是：定义一族算法类，将每个算法分别封装起来，让它们可以互相替换。策略模式可以使算法的变化独立于使用它们的客户端（这里的客户端代指使用算法的代码）。
- 我们知道，工厂模式是解耦对象的创建和使用，观察者模式是解耦观察者和被观察者。策略模式跟两者类似，也能起到解耦的作用，不过，它解耦的是策略的定义、创建、使用这三部分。接下来，我就详细讲讲一个完整的策略模式应该包含的这三个部分。
策略类的定义比较简单，包含一个策略接口和一组实现这个接口的策略类。因为所有的策略类都实现相同的接口，所以，客户端代码基于接口而非实现编程，可以灵活地替换不同的策略。示例代码如下所示：
public interface Strategy {
void algorithmInterface();
}
public class ConcreteStrategyA implements Strategy {
@Override
public void algorithmInterface() {
// 具体的算法...
}
}
public class ConcreteStrategyB implements Strategy {
@Override
public void algorithmInterface() {
// 具体的算法...
}
}- 因为策略模式会包含一组策略，在使用它们的时候，一般会通过类型（type）来判断创建哪个策略来使用。为了封装创建逻辑，我们需要对客户端代码屏蔽创建细节。我们可以把根据 type 创建策略的逻辑抽离出来，放到工厂类中。示例代码如下所示：
public class StrategyFactory {
private static final Map<String, Strategy> strategies = new HashMap<>();
static {
strategies.put("A", new ConcreteStrategyA());
strategies.put("B", new ConcreteStrategyB());
}
public static Strategy getStrategy(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
}
return strategies.get(type);
}
}- 一般来讲，如果策略类是无状态的，不包含成员变量，只是纯粹的算法实现，这样的策略对象是可以被共享使用的，不需要在每次调用 getStrategy() 的时候，都创建一个新的策略对象。针对这种情况，我们可以使用上面这种工厂类的实现方式，事先创建好每个策略对象，缓存到工厂类中，用的时候直接返回。
- 相反，如果策略类是有状态的，根据业务场景的需要，我们希望每次从工厂方法中，获得的都是新创建的策略对象，而不是缓存好可共享的策略对象，那我们就需要按照如下方式来实现策略工厂类。
public class StrategyFactory {
public static Strategy getStrategy(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
}
if (type.equals("A")) {
return new ConcreteStrategyA();
} else if (type.equals("B")) {
return new ConcreteStrategyB();
}
return null;
}
}-
刚刚讲了策略的定义和创建，现在，我们再来看一下，策略的使用。
-
我们知道，策略模式包含一组可选策略，客户端代码一般如何确定使用哪个策略呢？最常见的是运行时动态确定使用哪种策略，这也是策略模式最典型的应用场景。
-
这里的“运行时动态”指的是，我们事先并不知道会使用哪个策略，而是在程序运行期间，根据配置、用户输入、计算结果等这些不确定因素，动态决定使用哪种策略。接下来，我们通过一个例子来解释一下。
// 策略接口：EvictionStrategy
// 策略类：LruEvictionStrategy、FifoEvictionStrategy、LfuEvictionStrategy...
// 策略工厂：EvictionStrategyFactory
public class UserCache {
private Map<String, User> cacheData = new HashMap<>();
private EvictionStrategy eviction;
public UserCache(EvictionStrategy eviction) {
this.eviction = eviction;
}
// ...
}
// 运行时动态确定，根据配置文件的配置决定使用哪种策略
public class Application {
public static void main(String[] args) throws Exception {
EvictionStrategy evictionStrategy = null;
Properties props = new Properties();
props.load(new FileInputStream("./config.properties"));
String type = props.getProperty("eviction_type");
evictionStrategy = EvictionStrategyFactory.getEvictionStrategy(type);
UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
// ...
}
}
// 非运行时动态确定，在代码中指定使用哪种策略
public class Application {
public static void main(String[] args) {
// ...
EvictionStrategy evictionStrategy = new LruEvictionStrategy();
UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
// ...
}
}从上面的代码中，我们也可以看出，“非运行时动态确定”，也就是第二个 Application 中的使用方式，并不能发挥策略模式的优势。在这种应用场景下，策略模式实际上退化成了“面向对象的多态特性”或“基于接口而非实现编程原则”。
- 实际上，能够移除分支判断逻辑的模式不仅仅有策略模式，后面我们要讲的状态模式也可以。对于使用哪种模式，具体还要看应用场景来定。 策略模式适用于根据不同类型待动态，决定使用哪种策略这样一种应用场景。
- 我们先通过一个例子来看下，if-else 或 switch-case 分支判断逻辑是如何产生的。具体的代码如下所示。在这个例子中，我们没有使用策略模式，而是将策略的定义、创建、使用直接耦合在一起。
public class OrderService {
public double discount(Order order) {
double discount = 0.0;
OrderType type = order.getType();
if (type.equals(OrderType.NORMAL)) { // 普通订单
// ...省略折扣计算算法代码
} else if (type.equals(OrderType.GROUPON)) { // 团购订单
// ...省略折扣计算算法代码
} else if (type.equals(OrderType.PROMOTION)) { // 促销订单
// ...省略折扣计算算法代码
}
return discount;
}
}- 如何来移除掉分支判断逻辑呢？那策略模式就派上用场了。我们使用策略模式对上面的代码重构，将不同类型订单的打折策略设计成策略类，并由工厂类来负责创建策略对象。具体的代码如下所示：
public interface DiscountStrategy {
double calDiscount(Order order);
}
// 省略NormalDiscountStrategy、GrouponDiscountStrategy、PromotionDiscountStrategy类代码...
// 策略的创建
public class DiscountStrategyFactory {
private static final Map<OrderType, DiscountStrategy> strategies = new HashMap<>();
static {
strategies.put(OrderType.NORMAL, new NormalDiscountStrategy());
strategies.put(OrderType.GROUPON, new GrouponDiscountStrategy());
strategies.put(OrderType.PROMOTION, new PromotionDiscountStrategy());
}
public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType type) {
return strategies.get(type);
}
}
// 策略的使用
public class OrderService {
public double discount(Order order) {
OrderType type = order.getType();
DiscountStrategy discountStrategy = DiscountStrategyFactory.getDiscountStrategy(type);
return discountStrategy.calDiscount(order);
}
}- 重构之后的代码就没有了 if-else 分支判断语句了。实际上，这得益于策略工厂类。在工厂类中，我们用 Map 来缓存策略，根据 type 直接从 Map 中获取对应的策略，从而避免 if-else 分支判断逻辑。等后面讲到使用状态模式来避免分支判断逻辑的时候，你会发现，它们使用的是同样的套路。本质上都是借助“查表法”，根据 type 查表（代码中的 strategies 就是表）替代根据 type 分支判断。
- 但是，如果业务场景需要每次都创建不同的策略对象，我们就要用另外一种工厂类的实现方式了。具体的代码如下所示：
public class DiscountStrategyFactory {
public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType type) {
if (type == null) {
throw new IllegalArgumentException("Type should not be null.");
}
if (type.equals(OrderType.NORMAL)) {
return new NormalDiscountStrategy();
} else if (type.equals(OrderType.GROUPON)) {
return new GrouponDiscountStrategy();
} else if (type.equals(OrderType.PROMOTION)) {
return new PromotionDiscountStrategy();
}
return null;
}
}这种实现方式相当于把原来的 if-else 分支逻辑，从 OrderService 类中转移到了工厂类中，实际上并没有真正将它移除。关于这个问题如何解决，我们在后面讲解。
- 上面，我们主要介绍了策略模式的原理和实现，以及如何利用策略模式来移除 if-else 或者 switch-case 分支判断逻辑。今天，我们结合“给文件排序”这样一个具体的例子，来详细讲一讲策略模式的设计意图和应用场景。
- 除此之外，在今天的讲解中，我还会通过一步一步地分析、重构，给你展示一个设计模式是如何“创造”出来的。通过今天的学习，你会发现，设计原则和思想其实比设计模式更加普适和重要，掌握了代码的设计原则和思想，我们甚至可以自己创造出来新的设计模式
- 假设有这样一个需求，希望写一个小程序，实现对一个文件进行排序的功能。文件中只包含整型数，并且，相邻的数字通过逗号来区隔。如果由你来编写这样一个小程序，你会如何来实现呢？你可以把它当作面试题，先自己思考一下，再来看我下面的讲解。
- 你可能会说，这不是很简单嘛，只需要将文件中的内容读取出来，并且通过逗号分割成一个一个的数字，放到内存数组中，然后编写某种排序算法（比如快排），或者直接使用编程语言提供的排序函数，对数组进行排序，最后再将数组中的数据写入文件就可以了。
- 但是，如果文件很大呢？比如有 10GB 大小，因为内存有限（比如只有 8GB 大小），我们没办法一次性加载文件中的所有数据到内存中，这个时候，我们就要利用外部排序算法
- 如果文件更大，比如有 100GB 大小，我们为了利用 CPU 多核的优势，可以在外部排序的基础之上进行优化，加入多线程并发排序的功能，这就有点类似“单机版”的 MapReduce。
- 如果文件非常大，比如有 1TB 大小，即便是单机多线程排序，这也算很慢了。这个时候，我们可以使用真正的 MapReduce 框架，利用多机的处理能力，提高排序的效率。
- 解决思路讲完了，不难理解。接下来，我们看一下，如何将解决思路翻译成代码实现。
- 我先用最简单直接的方式实现将它实现出来。具体代码我贴在下面了，你可以先看一下。因为我们是在讲设计模式，不是讲算法，所以，在下面的代码实现中，我只给出了跟设计模式相关的骨架代码，并没有给出每种排序算法的具体代码实现。感兴趣的话，你可以自行实现一下。
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
quickSort(filePath);
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
externalSort(filePath);
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
concurrentExternalSort(filePath);
} else { // [100GB, ~)
mapreduceSort(filePath);
}
}
private void quickSort(String filePath) {
// 快速排序
}
private void externalSort(String filePath) {
// 外部排序
}
private void concurrentExternalSort(String filePath) {
// 多线程外部排序
}
private void mapreduceSort(String filePath) {
// 利用MapReduce多机排序
}
}
public class SortingTool {
public static void main(String[] args) {
Sorter sorter = new Sorter();
sorter.sortFile(args[0]);
}
}- 在“编码规范”那一部分我们讲过，函数的行数不能过多，最好不要超过一屏的大小。所以，为了避免 sortFile() 函数过长，我们把每种排序算法从 sortFile() 函数中抽离出来，拆分成 4 个独立的排序函数。
- 如果只是开发一个简单的工具，那上面的代码实现就足够了。毕竟，代码不多，后续修改、扩展的需求也不多，怎么写都不会导致代码不可维护。但是，如果我们是在开发一个大型项目，排序文件只是其中的一个功能模块，那我们就要在代码设计、代码质量上下点儿功夫了。只有每个小的功能模块都写好，整个项目的代码才能不差。
- 在刚刚的代码中，我们并没有给出每种排序算法的代码实现。实际上，如果自己实现一下的话，你会发现，每种排序算法的实现逻辑都比较复杂，代码行数都比较多。所有排序算法的代码实现都堆在 Sorter 一个类中，这就会导致这个类的代码很多。而在“编码规范”那一部分中，我们也讲到，一个类的代码太多也会影响到可读性、可维护性。除此之外，所有的排序算法都设计成 Sorter 的私有函数，也会影响代码的可复用性。
只要掌握了我们之前讲过的设计原则和思想，针对上面的问题，即便我们想不到该用什么设计模式来重构，也应该能知道该如何解决，那就是将 Sorter 类中的某些代码拆分出来，独立成职责更加单一的小类。实际上，拆分是应对类或者函数代码过多、应对代码复杂性的一个常用手段。按照这个解决思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
public interface ISortAlg {
void sort(String filePath);
}
public class QuickSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
// ...
}
}
public class ExternalSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
// ...
}
}
public class ConcurrentExternalSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
// ...
}
}
public class MapReduceSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
// ...
}
}
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg;
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
sortAlg = new QuickSort();
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
sortAlg = new ExternalSort();
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
sortAlg = new ConcurrentExternalSort();
} else { // [100GB, ~)
sortAlg = new MapReduceSort();
}
sortAlg.sort(filePath);
}
}- 经过拆分之后，每个类的代码都不会太多，每个类的逻辑都不会太复杂，代码的可读性、可维护性提高了。除此之外，我们将排序算法设计成独立的类，跟具体的业务逻辑（代码中的 if-else 那部分逻辑）解耦，也让排序算法能够复用。这一步实际上就是策略模式的第一步，也就是将策略的定义分离出来。
- 实际上，上面的代码还可以继续优化。每种排序类都是无状态的，我们没必要在每次使用的时候，都重新创建一个新的对象。所以，我们可以使用工厂模式对对象的创建进行封装。按照这个思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
public class SortAlgFactory {
private static final Map<String, ISortAlg> algs = new HashMap<>();
static {
algs.put("QuickSort", new QuickSort());
algs.put("ExternalSort", new ExternalSort());
algs.put("ConcurrentExternalSort", new ConcurrentExternalSort());
algs.put("MapReduceSort", new MapReduceSort());
}
public static ISortAlg getSortAlg(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
}
return algs.get(type);
}
}
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg;
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("QuickSort");
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ExternalSort");
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ConcurrentExternalSort");
} else { // [100GB, ~)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("MapReduceSort");
}
sortAlg.sort(filePath);
}
}经过上面两次重构之后，现在的代码实际上已经符合策略模式的代码结构了。我们通过策略模式将策略的定义、创建、使用解耦，让每一部分都不至于太复杂。不过，Sorter 类中的 sortFile() 函数还是有一堆 if-else 逻辑。这里的 if-else 逻辑分支不多、也不复杂，这样写完全没问题。但如果你特别想将 if-else 分支判断移除掉，那也是有办法的。我直接给出代码，你一看就能明白。实际上，这也是基于查表法来解决的，其中的“algs”就是“表”。
import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
private static final List<AlgRange> algs = new ArrayList<>();
static {
algs.add(new AlgRange(0, 6 * GB, SortAlgFactory.getSortAlg("QuickSort")));
algs.add(new AlgRange(6 * GB, 10 * GB, SortAlgFactory.getSortAlg("ExternalSort")));
algs.add(new AlgRange(10 * GB, 100 * GB, SortAlgFactory.getSortAlg("ConcurrentExternalSort")));
algs.add(new AlgRange(100 * GB, Long.MAX_VALUE, SortAlgFactory.getSortAlg("MapReduceSort")));
}
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg = null;
for (AlgRange algRange : algs) {
if (algRange.inRange(fileSize)) {
sortAlg = algRange.getAlg();
break;
}
}
sortAlg.sort(filePath);
}
private static class AlgRange {
private long start;
private long end;
private ISortAlg alg;
public AlgRange(long start, long end, ISortAlg alg) {
this.start = start;
this.end = end;
this.alg = alg;
}
public ISortAlg getAlg() {
return alg;
}
public boolean inRange(long size) {
return size >= start && size < end;
}
}
}- 现在的代码实现就更加优美了。我们把可变的部分隔离到了策略工厂类和 Sorter 类中的静态代码段中。当要添加一个新的排序算法时，我们只需要修改策略工厂类和 Sort 类中的静态代码段，其他代码都不需要修改，这样就将代码改动最小化、集中化了。
- 你可能会说，即便这样，当我们添加新的排序算法的时候，还是需要修改代码，并不完全符合开闭原则。有什么办法让我们完全满足开闭原则呢？
- 对于 Java 语言来说，我们可以通过反射来避免对策略工厂类的修改。具体是这么做的：我们通过一个配置文件或者自定义的 annotation 来标注都有哪些策略类；策略工厂类读取配置文件或者搜索被 annotation 标注的策略类，然后通过反射了动态地加载这些策略类、创建策略对象；当我们新添加一个策略的时候，只需要将这个新添加的策略类添加到配置文件或者用 annotation 标注即可。还记得上面说的如何消除工厂类的if else吗？我们也可以用这种方法来解决。
- 对于 Sorter 来说，我们可以通过同样的方法来避免修改。我们通过将文件大小区间和算法之间的对应关系放到配置文件中。当添加新的排序算法时，我们只需要改动配置文件即可，不需要改动代码。
- 在前面，我们学习了模板模式、策略模式，今天，我们来学习职责链模式。这三种模式具有相同的作用：复用和扩展，在实际的项目开发中比较常用，特别是框架开发中，我们可以利用它们来提供框架的扩展点，能够让框架的使用者在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能。
- 今天，我们主要讲解职责链模式的原理和实现。除此之外，我还会利用职责链模式，带你实现一个可以灵活扩展算法的敏感词过滤框架。下一节，我们会更加贴近实战，通过剖析 Servlet Filter、Spring Interceptor 来看，如何利用职责链模式实现框架中常用的过滤器、拦截器。
需求
采购员采购教学器材
- 如果金额小于等于 5000, 由教学主任审批 （0<=x<=5000）
- 如果金额小于等于 10000, 由院长审批 (5000<x<=10000)
- 如果金额小于等于 30000, 由副校长审批 (10000<x<=30000)
- 如果金额超过 30000 以上，有校长审批 ( 30000<x)
传统方式解决方案
- 传统方式是：接收到一个采购请求后，根据采购金额来调用对应的 Approver (审批人)完成审批。
- 传统方式的问题分析 : 客户端这里会使用到 分支判断(比如 switch) 来对不同的采购请求处理， 这样就存在如下问题 (1) 如果各个级别的人员审批金额发生变化，在客户端的也需要变化 (2) 客户端必须明确的知道有多少个审批级别和访问
- 这样对一个采购请求进行处理 和 Approver (审批人) 就存在强耦合关系，不利于代码的扩展和维护
职责链模式方案代码
public abstract class Approver {
Approver approver; // 下一个处理者
String name; // 名字
public Approver(String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
this.name = name;
}
// 下一个处理者
public void setApprover(Approver approver) {
this.approver = approver;
}
// 处理审批请求的方法，得到一个请求, 处理是子类完成，因此该方法做成抽象
public abstract void processRequest(PurchaseRequest purchaseRequest);
}// 请求类
public class PurchaseRequest {
private int type = 0; // 请求类型
private float price = 0.0f; // 请求金额
private int id = 0;
// 构造器
public PurchaseRequest(int type, float price, int id) {
this.type = type;
this.price = price;
this.id = id;
}
public int getType() {
return type;
}
public float getPrice() {
return price;
}
public int getId() {
return id;
}
}// 教学主任
public class DepartmentApprover extends Approver {
public DepartmentApprover(String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
super(name);
}
@Override
public void processRequest(PurchaseRequest purchaseRequest) {
// TODO Auto-generated method stub
if (purchaseRequest.getPrice() <= 5000) {
System.out.println(" 请求编号 id= " + purchaseRequest.getId() + " 被 " + this.name + " 处理");
} else {
approver.processRequest(purchaseRequest);
}
}
}// 院长
public class CollegeApprover extends Approver {
public CollegeApprover(String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
super(name);
}
@Override
public void processRequest(PurchaseRequest purchaseRequest) {
// TODO Auto-generated method stub
if (purchaseRequest.getPrice() > 5000 && purchaseRequest.getPrice() <= 10000) {
System.out.println(" 请求编号 id= " + purchaseRequest.getId() + " 被 " + this.name + " 处理");
} else {
approver.processRequest(purchaseRequest);
}
}
}// 副校长
public class ViceSchoolMasterApprover extends Approver {
public ViceSchoolMasterApprover(String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
super(name);
}
@Override
public void processRequest(PurchaseRequest purchaseRequest) {
// TODO Auto-generated method stub
if (purchaseRequest.getPrice() > 10000 && purchaseRequest.getPrice() <= 30000) {
System.out.println(" 请求编号 id= " + purchaseRequest.getId() + " 被 " + this.name + " 处理");
} else {
approver.processRequest(purchaseRequest);
}
}
}// 校长
public class SchoolMasterApprover extends Approver {
public SchoolMasterApprover(String name) {
// TODO Auto-generated constructor stub
super(name);
}
@Override
public void processRequest(PurchaseRequest purchaseRequest) {
// TODO Auto-generated method stub
if (purchaseRequest.getPrice() > 30000) {
System.out.println(" 请求编号 id= " + purchaseRequest.getId() + " 被 " + this.name + " 处理");
} else {
approver.processRequest(purchaseRequest);
}
}
}public class Client {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
// 创建一个请求
PurchaseRequest purchaseRequest = new PurchaseRequest(1, 4000, 1);
// 创建相关的审批人
DepartmentApprover departmentApprover = new DepartmentApprover("张主任");
CollegeApprover collegeApprover = new CollegeApprover("李院长");
ViceSchoolMasterApprover viceSchoolMasterApprover = new ViceSchoolMasterApprover("王副校");
SchoolMasterApprover schoolMasterApprover = new SchoolMasterApprover("风校长");
// 需要将各个审批级别的下一个设置好 (处理人构成环形: )
departmentApprover.setApprover(collegeApprover);
collegeApprover.setApprover(viceSchoolMasterApprover);
viceSchoolMasterApprover.setApprover(schoolMasterApprover);
schoolMasterApprover.setApprover(departmentApprover);
departmentApprover.processRequest(purchaseRequest);
viceSchoolMasterApprover.processRequest(purchaseRequest);
}
}- 职责链模式的英文翻译是 Chain Of Responsibility Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》中，它是这么定义的：
Avoid coupling the sender of a request to its receiver by giving more than one object a chance to handle the request. Chain the receiving objects and pass the request along the chain until an object handles it.
- 翻译成中文就是：将请求的发送和接收解耦，让多个接收对象都有机会处理这个请求。将这些接收对象串成一条链，并沿着这条链传递这个请求，直到链上的某个接收对象能够处理它为止。
- 这么说比较抽象，我用更加容易理解的话来进一步解读一下。在职责链模式中，多个处理器（也就是刚刚定义中说的“接收对象”）依次处理同一个请求。一个请求先经过 A 处理器处理，然后再把请求传递给 B 处理器，B 处理器处理完后再传递给 C 处理器，以此类推，形成一个链条。链条上的每个处理器各自承担各自的处理职责，所以叫作职责链模式。
- 关于职责链模式，我们先来看看它的代码实现。结合代码实现，你会更容易理解它的定义。职责链模式有多种实现方式，我们这里介绍两种比较常用的。
- 第一种实现方式如下所示。其中，Handler 是所有处理器类的抽象父类，handle() 是抽象方法。每个具体的处理器类（HandlerA、HandlerB）的 handle() 函数的代码结构类似，如果它能处理该请求，就不继续往下传递；如果不能处理，则交由后面的处理器来处理（也就是调用 successor.handle()）。HandlerChain 是处理器链，从数据结构的角度来看，它就是一个记录了链头、链尾的链表。其中，记录链尾是为了方便添加处理器。
public abstract class Handler {
protected Handler successor = null;
public void setSuccessor(Handler successor) {
this.successor = successor;
}
public abstract void handle();
}
public class HandlerA extends Handler {
@Override
public boolean handle() {
boolean handled = false;
// ...
if (!handled && successor != null) {
successor.handle();
}
}
}
public class HandlerB extends Handler {
@Override
public void handle() {
boolean handled = false;
// ...
if (!handled && successor != null) {
successor.handle();
}
}
}
public class HandlerChain {
private Handler head = null;
private Handler tail = null;
public void addHandler(Handler handler) {
handler.setSuccessor(null);
if (head == null) {
head = handler;
tail = handler;
return;
}
tail.setSuccessor(handler);
tail = handler;
}
public void handle() {
if (head != null) {
head.handle();
}
}
}
// 使用举例
public class Application {
public static void main(String[] args) {
HandlerChain chain = new HandlerChain();
chain.addHandler(new HandlerA());
chain.addHandler(new HandlerB());
chain.handle();
}
}- 实际上，上面的代码实现不够优雅。处理器类的 handle() 函数，不仅包含自己的业务逻辑，还包含对下一个处理器的调用，也就是代码中的 successor.handle()。一个不熟悉这种代码结构的程序员，在添加新的处理器类的时候，很有可能忘记在 handle() 函数中调用 successor.handle()，这就会导致代码出现 bug。
- 针对这个问题，我们对代码进行重构，利用模板模式，将调用 successor.handle() 的逻辑从具体的处理器类中剥离出来，放到抽象父类中。这样具体的处理器类只需要实现自己的业务逻辑就可以了。重构之后的代码如下所示：
public abstract class Handler {
protected Handler successor = null;
public void setSuccessor(Handler successor) {
this.successor = successor;
}
public final void handle() {
boolean handled = doHandle();
if (successor != null && !handled) {
successor.handle();
}
}
protected abstract boolean doHandle();
}
public class HandlerA extends Handler {
@Override
protected boolean doHandle() {
boolean handled = false;
// ...
return handled;
}
}
public class HandlerB extends Handler {
@Override
protected boolean doHandle() {
boolean handled = false;
// ...
return handled;
}
}
// HandlerChain和Application代码不变我们再来看第二种实现方式，代码如下所示。这种实现方式更加简单。HandlerChain 类用数组而非链表来保存所有的处理器，并且需要在 HandlerChain 的 handle() 函数中，依次调用每个处理器的 handle() 函数。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public interface IHandler {
boolean handle();
}
public class HandlerA implements IHandler {
@Override
public boolean handle() {
boolean handled = false;
// ...
return handled;
}
}
public class HandlerB implements IHandler {
@Override
public boolean handle() {
boolean handled = false;
// ...
return handled;
}
}
public class HandlerChain {
private List<IHandler> handlers = new ArrayList<>();
public void addHandler(IHandler handler) {
this.handlers.add(handler);
}
public void handle() {
for (IHandler handler : handlers) {
boolean handled = handler.handle();
if (handled) {
break;
}
}
}
}
// 使用举例
public class Application {
public static void main(String[] args) {
HandlerChain chain = new HandlerChain();
chain.addHandler(new HandlerA());
chain.addHandler(new HandlerB());
chain.handle();
}
}在 GoF 给出的定义中，如果处理器链上的某个处理器能够处理这个请求，那就不会继续往下传递请求。实际上，职责链模式还有一种变体，那就是请求会被所有的处理器都处理一遍，不存在中途终止的情况。这种变体也有两种实现方式：用链表存储处理器和用数组存储处理器，跟上面的两种实现方式类似，只需要稍微修改即可。我这里只给出其中一种实现方式，如下所示。另外一种实现方式你对照着上面的实现自行修改。我这里只给出其中一种实现方式，如下所示。另外一种实现方式你对照着上面的实现自行修改。
public abstract class Handler {
protected Handler successor = null;
public void setSuccessor(Handler successor) {
this.successor = successor;
}
public final void handle() {
doHandle();
if (successor != null) {
successor.handle();
}
}
protected abstract void doHandle();
}
public class HandlerA extends Handler {
@Override
protected void doHandle() {
// ...
}
}
public class HandlerB extends Handler {
@Override
protected void doHandle() {
// ...
}
}
public class HandlerChain {
private Handler head = null;
private Handler tail = null;
public void addHandler(Handler handler) {
handler.setSuccessor(null);
if (head == null) {
head = handler;
tail = handler;
return;
}
tail.setSuccessor(handler);
tail = handler;
}
public void handle() {
if (head != null) {
head.handle();
}
}
}
// 使用举例
public class Application {
public static void main(String[] args) {
HandlerChain chain = new HandlerChain();
chain.addHandler(new HandlerA());
chain.addHandler(new HandlerB());
chain.handle();
}
}- 职责链模式的原理和实现讲完了，我们再通过一个实际的例子，来学习一下职责链模式的应用场景。
- 对于支持 UGC（User Generated Content，用户生成内容）的应用（比如论坛）来说，用户生成的内容（比如，在论坛中发表的帖子）可能会包含一些敏感词（比如涉黄、广告、反动等词汇）。针对这个应用场景，我们就可以利用职责链模式来过滤这些敏感词。
- 对于包含敏感词的内容，我们有两种处理方式，一种是直接禁止发布，另一种是给敏感词打马赛克（比如，用 *** 替换敏感词）之后再发布。第一种处理方式符合 GoF 给出的职责链模式的定义，第二种处理方式是职责链模式的变体。
- 我们这里只给出第一种实现方式的代码示例，如下所示，并且，我们只给出了代码实现的骨架，具体的敏感词过滤算法并没有给出。
public interface SensitiveWordFilter {
boolean doFilter(Content content);
}
public class SexyWordFilter implements SensitiveWordFilter {
@Override
public boolean doFilter(Content content) {
boolean legal = true;
// ...
return legal;
}
}
// PoliticalWordFilter、AdsWordFilter类代码结构与SexyWordFilter类似
public class SensitiveWordFilterChain {
private List<SensitiveWordFilter> filters = new ArrayList<>();
public void addFilter(SensitiveWordFilter filter) {
this.filters.add(filter);
}
// return true if content doesn't contain sensitive words.
public boolean filter(Content content) {
for (SensitiveWordFilter filter : filters) {
if (!filter.doFilter(content)) {
return false;
}
}
return true;
}
}
public class ApplicationDemo {
public static void main(String[] args) {
SensitiveWordFilterChain filterChain = new SensitiveWordFilterChain();
filterChain.addFilter(new AdsWordFilter());
filterChain.addFilter(new SexyWordFilter());
filterChain.addFilter(new PoliticalWordFilter());
boolean legal = filterChain.filter(new Content());
if (!legal) {
// 不发表
} else {
// 发表
}
}
}看了上面的实现，你可能会说，我像下面这样也可以实现敏感词过滤功能，而且代码更加简单，为什么非要使用职责链模式呢？这是不是过度设计呢？
public class SensitiveWordFilter {
// return true if content doesn't contain sensitive words.
public boolean filter(Content content) {
if (!filterSexyWord(content)) {
return false;
}
if (!filterAdsWord(content)) {
return false;
}
if (!filterPoliticalWord(content)) {
return false;
}
return true;
}
private boolean filterSexyWord(Content content) {
// ....
}
private boolean filterAdsWord(Content content) {
// ...
}
private boolean filterPoliticalWord(Content content) {
// ...
}
}我们前面多次讲过，应用设计模式主要是为了应对代码的复杂性，让其满足开闭原则，提高代码的扩展性。这里应用职责链模式也不例外。实际上，我们在讲解策略模式的时候，也讲过类似的问题，比如，为什么要用策略模式？当时的给出的理由，与现在应用职责链模式的理由，几乎是一样的，你可以结合着当时的讲解一块来看下。
首先，我们来看，职责链模式如何应对代码的复杂性。
将大块代码逻辑拆分成函数，将大类拆分成小类，是应对代码复杂性的常用方法。应用职责链模式，我们把各个敏感词过滤函数继续拆分出来，设计成独立的类，进一步简化了 SensitiveWordFilter 类，让 SensitiveWordFilter 类的代码不会过多，过复杂。
其次，我们再来看，职责链模式如何让代码满足开闭原则，提高代码的扩展性。
- 当我们要扩展新的过滤算法的时候，比如，我们还需要过滤特殊符号，按照非职责链模式的代码实现方式，我们需要修改 SensitiveWordFilter 的代码，违反开闭原则。不过，这样的修改还算比较集中，也是可以接受的。而职责链模式的实现方式更加优雅，只需要新添加一个 Filter 类，并且通过 addFilter() 函数将它添加到 FilterChain 中即可，其他代码完全不需要修改。
- 不过，你可能会说，即便使用职责链模式来实现，当添加新的过滤算法的时候，还是要修改客户端代码（ApplicationDemo），这样做也没有完全符合开闭原则。
- 实际上，细化一下的话，我们可以把上面的代码分成两类：框架代码和客户端代码。其中，ApplicationDemo 属于客户端代码，也就是使用框架的代码。除 ApplicationDemo 之外的代码属于敏感词过滤框架代码。
- 假设敏感词过滤框架并不是我们开发维护的，而是我们引入的一个第三方框架，我们要扩展一个新的过滤算法，不可能直接去修改框架的源码。这个时候，利用职责链模式就能达到开篇所说的，在不修改框架源码的情况下，基于职责链模式提供的扩展点，来扩展新的功能。换句话说，我们在框架这个代码范围内实现了开闭原则。
- 除此之外，利用职责链模式相对于不用职责链的实现方式，还有一个好处，那就是配置过滤算法更加灵活，可以只选择使用某几个过滤算法。
除此之外，我们还提到，职责链模式常用在框架的开发中，为框架提供扩展点，让框架的使用者在不修改框架源码的情况下，基于扩展点添加新的功能。实际上，更具体点来说，职责链模式最常用来开发框架的过滤器和拦截器。今天，我们就通过 Servlet Filter、Spring Interceptor 这两个 Java 开发中常用的组件，来具体讲讲它在框架开发中的应用。
Servlet Filter 是 Java Servlet 规范中定义的组件，翻译成中文就是过滤器，它可以实现对 HTTP 请求的过滤功能，比如鉴权、限流、记录日志、验证参数等等。因为它是 Servlet 规范的一部分，所以，只要是支持 Servlet 的 Web 容器（比如，Tomcat、Jetty 等），都支持过滤器功能。为了帮助你理解，我画了一张示意图阐述它的工作原理，如下所示。
在实际项目中，我们该如何使用 Servlet Filter 呢？我写了一个简单的示例代码，如下所示。添加一个过滤器，我们只需要定义一个实现 javax.servlet.Filter 接口的过滤器类，并且将它配置在 web.xml 配置文件中。Web 容器启动的时候，会读取 web.xml 中的配置，创建过滤器对象。当有请求到来的时候，会先经过过滤器，然后才由 Servlet 来处理。
public class LogFilter implements Filter {
@Override
public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {
// 在创建Filter时自动调用，
// 其中filterConfig包含这个Filter的配置参数，比如name之类的（从配置文件中读取的）
}
@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain)
throws IOException, ServletException {
System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
chain.doFilter(request, response);
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.");
}
@Override
public void destroy() {
// 在销毁Filter时自动调用
}
}// 在web.xml配置文件中如下配置：
<filter>
<filter-name>logFilter</filter-name>
<filter-class>com.xzg.cd.LogFilter</filter-class>
</filter>
<filter-mapping>
<filter-name>logFilter</filter-name>
<url-pattern>/*</url-pattern>
</filter-mapping>- 从刚刚的示例代码中，我们发现，添加过滤器非常方便，不需要修改任何代码，定义一个实现 javax.servlet.Filter 的类，再改改配置就搞定了，完全符合开闭原则。那 Servlet Filter 是如何做到如此好的扩展性的呢？我想你应该已经猜到了，它利用的就是职责链模式。现在，我们通过剖析它的源码，详细地看看它底层是如何实现的。
- 在上一节中，我们讲到，职责链模式的实现包含处理器接口（IHandler）或抽象类（Handler），以及处理器链（HandlerChain）。对应到 Servlet Filter，javax.servlet.Filter 就是处理器接口，FilterChain 就是处理器链。接下来，我们重点来看 FilterChain 是如何实现的。
- 不过，我们前面也讲过，Servlet 只是一个规范，并不包含具体的实现，所以，Servlet 中的 FilterChain 只是一个接口定义。具体的实现类由遵从 Servlet 规范的 Web 容器来提供，比如，ApplicationFilterChain 类就是 Tomcat 提供的 FilterChain 的实现类，源码如下所示。
- 为了让代码更易读懂，我对代码进行了简化，只保留了跟设计思路相关的代码片段。完整的代码你可以自行去 Tomcat 中查看。
public final class ApplicationFilterChain implements FilterChain {
private int pos = 0; // 当前执行到了哪个filter
private int n; // filter的个数
private ApplicationFilterConfig[] filters;
private Servlet servlet;
@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response) {
if (pos < n) {
ApplicationFilterConfig filterConfig = filters[pos++];
Filter filter = filterConfig.getFilter();
filter.doFilter(request, response, this);
} else {
// filter都处理完毕后，执行servlet
servlet.service(request, response);
}
}
public void addFilter(ApplicationFilterConfig filterConfig) {
for (ApplicationFilterConfig filter : filters) if (filter == filterConfig) return;
if (n == filters.length) { // 扩容
ApplicationFilterConfig[] newFilters = new ApplicationFilterConfig[n + INCREMENT];
System.arraycopy(filters, 0, newFilters, 0, n);
filters = newFilters;
}
filters[n++] = filterConfig;
}
}ApplicationFilterChain 中的 doFilter() 函数的代码实现比较有技巧，实际上是一个递归调用。你可以用每个 Filter（比如 LogFilter）的 doFilter() 的代码实现，直接替换 ApplicationFilterChain 的第 12 行代码，一眼就能看出是递归调用了。我替换了一下，如下所示。
@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response) {
if (pos < n) {
ApplicationFilterConfig filterConfig = filters[pos++];
Filter filter = filterConfig.getFilter();
//filter.doFilter(request, response, this);
//把filter.doFilter的代码实现展开替换到这里
System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
chain.doFilter(request, response); // chain就是this
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.")
} else {
// filter都处理完毕后，执行servlet
servlet.service(request, response);
}
}这样实现主要是为了在一个 doFilter() 方法中，支持双向拦截，既能拦截客户端发送来的请求，也能拦截发送给客户端的响应，你可以结合着 LogFilter 那个例子，以及对比待会要讲到的 Spring Interceptor，来自己理解一下。而我们上一节给出的两种实现方式，都没法做到在业务逻辑执行的前后，同时添加处理代码。
- 刚刚讲了 Servlet Filter，现在我们来讲一个功能上跟它非常类似的东西，Spring Interceptor，翻译成中文就是拦截器。尽管英文单词和中文翻译都不同，但这两者基本上可以看作一个概念，都用来实现对 HTTP 请求进行拦截处理。
- 它们不同之处在于，Servlet Filter 是 Servlet 规范的一部分，实现依赖于 Web 容器。Spring Interceptor 是 Spring MVC 框架的一部分，由 Spring MVC 框架来提供实现。客户端发送的请求，会先经过 Servlet Filter，然后再经过 Spring Interceptor，最后到达具体的业务代码中。我画了一张图来阐述一个请求的处理流程，具体如下所示。
- 在项目中，我们该如何使用 Spring Interceptor 呢？我写了一个简单的示例代码，如下所示。LogInterceptor 实现的功能跟刚才的 LogFilter 完全相同，只是实现方式上稍有区别。LogFilter 对请求和响应的拦截是在 doFilter() 一个函数中实现的，而 LogInterceptor 对请求的拦截在 preHandle() 中实现，对响应的拦截在 postHandle() 中实现。
public class LogInterceptor implements HandlerInterceptor {
@Override
public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler)
throws Exception {
System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
return true; // 继续后续的处理
}
@Override
public void postHandle(
HttpServletRequest request,
HttpServletResponse response,
Object handler,
ModelAndView modelAndView)
throws Exception {
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.");
}
@Override
public void afterCompletion(
HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex)
throws Exception {
System.out.println("这里总是被执行.");
}
}//在Spring MVC配置文件中配置interceptors
<mvc:interceptors>
<mvc:interceptor>
<mvc:mapping path="/*"/>
<bean class="com.xzg.cd.LogInterceptor" />
</mvc:interceptor>
</mvc:interceptors>
- 同样，我们还是来剖析一下，Spring Interceptor 底层是如何实现的。
- 当然，它也是基于职责链模式实现的。其中，HandlerExecutionChain 类是职责链模式中的处理器链。它的实现相较于 Tomcat 中的 ApplicationFilterChain 来说，逻辑更加清晰，不需要使用递归来实现，主要是因为它将请求和响应的拦截工作，拆分到了两个函数中实现。HandlerExecutionChain 的源码如下所示，同样，我对代码也进行了一些简化，只保留了关键代码。
public class HandlerExecutionChain {
private final Object handler;
private HandlerInterceptor[] interceptors;
public void addInterceptor(HandlerInterceptor interceptor) {
initInterceptorList().add(interceptor);
}
boolean applyPreHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
throws Exception {
HandlerInterceptor[] interceptors = getInterceptors();
if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
for (int i = 0; i < interceptors.length; i++) {
HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
if (!interceptor.preHandle(request, response, this.handler)) {
triggerAfterCompletion(request, response, null);
return false;
}
}
}
return true;
}
void applyPostHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, ModelAndView mv)
throws Exception {
HandlerInterceptor[] interceptors = getInterceptors();
if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
for (int i = interceptors.length - 1; i >= 0; i--) {
HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
interceptor.postHandle(request, response, this.handler, mv);
}
}
}
void triggerAfterCompletion(
HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Exception ex) throws Exception {
HandlerInterceptor[] interceptors = getInterceptors();
if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
for (int i = this.interceptorIndex; i >= 0; i--) {
HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
try {
interceptor.afterCompletion(request, response, this.handler, ex);
} catch (Throwable ex2) {
logger.error("HandlerInterceptor.afterCompletion threw exception", ex2);
}
}
}
}
}在 Spring 框架中，DispatcherServlet 的 doDispatch() 方法来分发请求，它在真正的业务逻辑执行前后，执行 HandlerExecutionChain 中的 applyPreHandle() 和 applyPostHandle() 函数，用来实现拦截的功能。具体的代码实现很简单，你自己应该能脑补出来，这里就不罗列了。感兴趣的话，你可以自行去查看。