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代理模式:代理在RPC、缓存、监控等场景中的应用

2023-07-13

前几节已经学过了设计模式中的创建型模式,重点学习了建造者模式和原型模式。此外创建型模式还包括单例模式和工厂模式。

  • 单例模式用来创建全局唯一的对象。
  • 工厂模式用来创建不同但是相关类型的对象(继承同一父类或者接口的一组子类),由给定的参数来决定创建哪种类型的对象。
  • 建造者模式是用来创建复杂对象,可以通过设置不同的可选参数,“定制化”地创建不同的对象。
  • 原型模式针对创建成本比较大的对象,利用对已有对象进行复制的方式进行创建,以达到节省创建时间的目的。

        从今天起,我们开始学习另外一种类型的设计模式:结构型模式。其主要是解决一些类之间组合在一起的经典结构,这些经典模式可以解决特定的问题。结构型模式包括:代理模式桥接模式装饰器模式适配器模式门面模式组合模式享元模式。本文主要学习代理模式。

代理模式原理解析

        代理模式原理和代码实现比较简单,它在不改变原始类的情况下,创建出代理对象,以达到对原始类功能的增强。

        我们看一个例子,例如:开发了一个MetricsCollector类,用来收集接口请求的原始数据,比如访问时间、处理时长等。如果我在UserController中记录访问时长和处理时长等信息。那么我们期初设计为如下代码:

public class UserController {
  //...省略其他属性和方法...
  private MetricsCollector metricsCollector; // 依赖注入

  public UserVo login(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    // ... 省略login逻辑...

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    //...返回UserVo数据...
  }

  public UserVo register(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    // ... 省略register逻辑...

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    //...返回UserVo数据...
  }
}

        上述写法会有一下问题:1、第一,性能计数器框架代码侵入到业务代码中,跟业务代码高度耦合。如果未来需要替换这个框架,那替换的成本会比较大。第二,收集接口请求的代码跟业务代码无关,本就不应该放到一个类中。业务类最好职责更加单一,只聚焦业务处理。

思考:能不能在将其写成两个controller中,然后将两个controller进行动态结合,以达到上述代码的功能。

我们可以采用代理模式进行处理。代理类UserControllerProxy和原始类UserController实现相同的接口IUserControllerUserController类只负责业务功能代理类UserControllerProxy负责在业务代码执行前后附加其他逻辑代码并通过委托的方式调用原始类来执行业务代码。具体的代码实现如下所示:

public interface IUserController {
  UserVo login(String telephone, String password);
  UserVo register(String telephone, String password);
}

public class UserController implements IUserController {
  //...省略其他属性和方法...

  @Override
  public UserVo login(String telephone, String password) {
    //...省略login逻辑...
    //...返回UserVo数据...
  }

  @Override
  public UserVo register(String telephone, String password) {
    //...省略register逻辑...
    //...返回UserVo数据...
  }
}

public class UserControllerProxy implements IUserController {
  private MetricsCollector metricsCollector;
  private UserController userController;

  public UserControllerProxy(UserController userController) {
    this.userController = userController;
    this.metricsCollector = new MetricsCollector();
  }

  @Override
  public UserVo login(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    // 委托
    UserVo userVo = userController.login(telephone, password);

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    return userVo;
  }

  @Override
  public UserVo register(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    UserVo userVo = userController.register(telephone, password);

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    return userVo;
  }
}

//UserControllerProxy使用举例
//因为原始类和代理类实现相同的接口,是基于接口而非实现编程
//将UserController类对象替换为UserControllerProxy类对象,不需要改动太多代码
IUserController userController = new UserControllerProxy(new UserController());

参照基于接口而非实现编程的设计思想,将原始类对象替换为代理类对象的时候,为了让代码改动尽量少,在刚刚的代理模式的代码实现中,代理类和原始类需要实现相同的接口。但是,如果原始类并没有定义接口,并且原始类代码并不是我们开发维护的(比如它来自一个第三方的类库),我们也没办法直接修改原始类,给它重新定义一个接口。在这种情况下,我们该如何实现代理模式呢?一般采用继承

        我们让代理类继承原始类,然后扩展附加功能。原理很简单,不需要过多解释,你直接看代码就能明白。具体代码如下所示:

public class UserControllerProxy extends UserController {
  private MetricsCollector metricsCollector;

  public UserControllerProxy() {
    this.metricsCollector = new MetricsCollector();
  }

  public UserVo login(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    UserVo userVo = super.login(telephone, password);

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    return userVo;
  }

  public UserVo register(String telephone, String password) {
    long startTimestamp = System.currentTimeMillis();

    UserVo userVo = super.register(telephone, password);

    long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
    long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
    RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, startTimestamp);
    metricsCollector.recordRequest(requestInfo);

    return userVo;
  }
}
//UserControllerProxy使用举例
UserController userController = new UserControllerProxy();

不过,刚刚的代码实现还是有点问题。一方面,我们需要在代理类中,将原始类中的所有的方法,都重新实现一遍,并且为每个方法都附加相似的代码逻辑。另一方面,如果要添加的附加功能的类有不止一个,我们需要针对每个类都创建一个代理类

如果有50个要添加附加功能的原始类,那我们就要创建50个对应的代理类。这会导致项目中类的个数成倍增加,增加了代码维护成本。并且,每个代理类中的代码都有点像模板式的“重复”代码,也增加了不必要的开发成本。那这个问题怎么解决呢?

我们可以使用动态代理来解决这个问题。所谓动态代理(Dynamic Proxy),就是我们不事先为每个原始类编写代理类,而是在运行的时候,动态地创建原始类对应的代理类,然后在系统中用代理类替换掉原始类。那如何实现动态代理呢?

public class MetricsCollectorProxy {
  private MetricsCollector metricsCollector;

  public MetricsCollectorProxy() {
    this.metricsCollector = new MetricsCollector();
  }

  public Object createProxy(Object proxiedObject) {
    Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces();
    DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject);
    return Proxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(), interfaces, handler);
  }

  private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object proxiedObject;

    public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) {
      this.proxiedObject = proxiedObject;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
      long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
      Object result = method.invoke(proxiedObject, args);
      long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
      long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
      String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" + method.getName();
      RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, startTimestamp);
      metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
      return result;
    }
  }
}

//MetricsCollectorProxy使用举例
MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy();
IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(new UserController());

 不过上述代码的动态代理需要有接口才行。如果是继承的话,可以使用其他的动态代理框架。这样就不用像静态代理(第二个代码)哪有,针对每个类都产生代理对象。

 

业务系统的非功能性需求开发

代理模式最常用的一个应用场景就是,在业务系统中开发一些非功能性需求,比如:监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志和RPC请求等。我们将这些附加功能与业务功能解耦,放到代理类中统一处理,让程序员只需要关注业务方面的开发。实际上,前面举的搜集接口请求信息的例子,就是这个应用场景的一个典型例子。

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