趣谈设计模式

码易有道2024-03-05 13:34

所谓"解耦"，就是代码和代码说分手。

背景

谈起设计模式，你一定会问？这玩意到底有啥用？我好像没用过也不影响做一个码农。也可能项目中实际用了，但是你不自知。虽然Java设计模式有23种，但是工作中常用的可能并没有那麽多。就像新华字典有多少字，你没必要都学一样。本章我们只谈常用的几种设计模式，通过设计模式的理念、规约、到应用，理解实战中如何正确使用设计模式，不论对面试还是实际工作中都有益处。

文章提纲

设计理念

最为Java开发者，程序员基本修养名言绝句：

  • 该露露，该藏藏
  • 该封装的要封装
  • 万事万物兼对象
  • 程序代码要健壮

我们简单归纳为2个核心词：高内聚、低耦合。

很小的时候看过动画片，封神演义中哪吒：三头八臂显威力，千征百战斗魔法。（串台了。。。）

我们根据这首歌词抽象一下，哪吒：三头八臂是静态特征，千征百战是动态技能。把这些特征归纳映射一下：类 = 属性 + 方法如下图：

以上是高内聚的概念，什么是低耦合？

如果可能，我写一本神话《封神演戏》，说哪吒有：三头九臂 。你肯定和我吵吵，要给它再配一把兵器。虽然还没想好是啥，但是有个总则：绝对不影响先前这八臂的演技。这就是低耦合！！！所谓程序健壮、拓展性强，也是这个道理。我们真诚地希望：

上述例子不是特别恰当，但是对于设计模式，我们终级的理念是：封装变化的内容，保留不变的宗旨。

设计原则

设计原则可以归纳为2大类：

  • 开闭原则（李氏替换，组合复用，依赖倒置）

规定：软件中的对象（类、模块、函数等等）应该对于扩展是开放的，但是对于修改是封闭的。换句话说，一个实体是允许在不改变它的源代码的前提下变更它的行为。

  • 单一职责（接口隔离，迪米特法则）

规定：一个类只应该有一个职责，只有一个改变它的原因

Spring中的设计模式

在Spring框架中，各种设计模式被广泛应用以支持其强大的功能和灵活性。下面我将结合Spring的源码，鉴赏下Spring中常见的几种设计模式。

1. 单例模式

Spring框架中的Bean默认就是单例的。Spring IoC容器负责创建对象实例，并确保在整个应用中，针对同一个Bean的ID，只实例化一次对象。DefaultSingletonBeanRegistry类是Spring管理单例Bean的核心类。

typescript 复制代码 
// DefaultSingletonBeanRegistry类中的部分源码
public class DefaultSingletonBeanRegistry extends SimpleAliasRegistry implements SingletonBeanRegistry {
    // ...
    private final Map<String, Object> singletonObjects = new ConcurrentHashMap<>(256);
    // ...
    @Override
    public Object getSingleton(String beanName) {
        return getSingleton(beanName, true);
    }
    
    protected Object getSingleton(String beanName, boolean allowEarlyReference) {
        // ... 省略部分代码
        Object singletonObject = this.singletonObjects.get(beanName);
        if (singletonObject == null && isSingletonCurrentlyInCreation(beanName)) {
            synchronized (this.singletonObjects) {
                singletonObject = this.earlySingletonObjects.get(beanName);
                if (singletonObject == null && allowEarlyReference) {
                    ObjectFactory<?> singletonFactory = this.singletonFactories.get(beanName);
                    if (singletonFactory != null) {
                        singletonObject = singletonFactory.getObject();
                        this.earlySingletonObjects.put(beanName, singletonObject);
                        this.singletonFactories.remove(beanName);
                    }
                }
            }
        }
        return (singletonObject != NULL_OBJECT ? singletonObject : null);
    }
    // ...
}

2. 工厂模式

Spring使用工厂模式通过BeanFactory、ApplicationContext等接口创建和管理Bean对象。DefaultListableBeanFactory是Spring中Bean工厂的实现类。

java 复制代码 
// DefaultListableBeanFactory类中的部分源码
public class DefaultListableBeanFactory extends AbstractAutowireCapableBeanFactory
        implements ConfigurableListableBeanFactory, BeanDefinitionRegistry, Serializable {
    // ...
    @Override
    public <T> T getBean(String name, Class<T> requiredType) throws BeansException {
        return doGetBean(name, requiredType, null, false);
    }

    @Override
    public <T> T getBean(Class<T> requiredType) throws BeansException {
        return doGetBean(null, requiredType, null, false);
    }
    
    // ... 省略部分代码
}

3. 代理模式

Spring AOP（面向切面编程）的实现就是基于代理模式。Spring创建目标对象的代理对象，并在代理对象中织入切面逻辑。JdkDynamicAopProxy和CglibAopProxy是Spring AOP中创建代理的两个核心类。

kotlin 复制代码 
// JdkDynamicAopProxy类中的部分源码
public class JdkDynamicAopProxy implements AopProxy, InvocationHandler, Serializable {
    // ...
    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
        // ... 省略部分代码
        // 获取AdvisedSupport对象，包含了切面等AOP相关信息
        final AdvisedSupport advised = this.advised;
        // ... 省略部分代码
        // 获取拦截器链（切面链）
        List<Object> chain = advised.getInterceptorsAndDynamicInterceptionAdvice(method, targetClass);
        // ... 省略部分代码
        // 执行链式调用
        return invokeJoinpointUsingReflection(target, method, args, targetClass, chain);
    }
    // ...
}

4. 观察者模式（监听模式）

在Spring中，事件处理机制就是基于观察者模式实现的。当事件发生时，所有注册的观察者都会收到通知并作出响应。ApplicationEventMulticaster接口和SimpleApplicationEventMulticaster类是Spring事件处理机制的核心。

csharp 复制代码 
// SimpleApplicationEventMulticaster类中的部分源码
public class SimpleApplicationEventMulticaster extends AbstractApplicationEventMulticaster {
    // ...
    @Override
    public void multicastEvent(final ApplicationEvent event, @Nullable ResolvableType eventType) {
        ResolvableType type = (eventType != null ? eventType : resolveDefaultEventType(event));
        for (ApplicationListener<?> listener : getApplicationListeners(event, type)) {```java
            // 调用监听器的方法处理事件
            invokeListener(listener, event);
        }
    }

    private void invokeListener(ApplicationListener<?> listener, ApplicationEvent event) {
        ErrorHandler errorHandler = getErrorHandler();
        if (errorHandler != null) {
            try {
                doInvokeListener(listener, event);
            } catch (Throwable err) {
                errorHandler.handleError(err);
            }
        } else {
            doInvokeListener(listener, event);
        }
    }

    private void doInvokeListener(ApplicationListener<?> listener, ApplicationEvent event) {
        try {
            // 调用监听器的onApplicationEvent方法
            listener.onApplicationEvent(event);
        } catch (ClassCastException ex) {
            // ... 省略部分代码，处理类型不匹配异常
        }
    }
    // ...
}

5. 责任链模式

在Spring中，HandlerInterceptor和HandlerInterceptorAdapter等类在处理请求拦截时，采用的就是责任链模式。一个请求会按照定义的拦截器顺序，逐个被处理，直到找到对应的处理器或者遍历完所有的拦截器。

java 复制代码 
// HandlerInterceptor接口定义
public interface HandlerInterceptor {
    boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler)
            throws Exception;

    void postHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler,
            ModelAndView modelAndView) throws Exception;

    void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex)
            throws Exception;
}

// 实现HandlerInterceptor接口的自定义拦截器
public class CustomInterceptor implements HandlerInterceptor {
    @Override
    public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler)
            throws Exception {
        // 在这里执行前置处理逻辑
        return true; // 返回true表示继续向下执行，返回false表示中断请求
    }

    // ... 其他方法实现
}

6. 模版模式

Spring中的JdbcTemplate、HibernateTemplate等类就是模版模式的典型应用。它们定义了一个操作数据库或Hibernate的骨架方法，允许子类在不改变算法结构的情况下重定义某些步骤的具体内容。

typescript 复制代码 
// JdbcTemplate部分源码
public class JdbcTemplate extends JdbcAccessor implements JdbcOperations, BeanFactoryAware {
    // ...
    public <T> T query(String sql, RowMapper<T> rowMapper) {
        return query(sql, new Object[0], rowMapper);
    }

    public <T> T query(String sql, Object[] args, RowMapper<T> rowMapper) {
        return query(sql, args, rowMapper, true);
    }

    // ... 省略部分代码，这里是模版方法的实现
    // 真正的SQL执行和结果集处理逻辑在这里，但是允许子类通过RowMapper来定制结果集的处理方式
    // ...
}

// 自定义RowMapper实现
public class CustomRowMapper implements RowMapper<MyObject> {
    @Override
    public MyObject mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
        // 在这里定制如何从ResultSet中映射到MyObject对象
        return new MyObject(/* 映射逻辑 */);
    }
}

这些设计模式在Spring框架中被广泛应用，能够灵活地应对各种复杂场景，提供强大且可扩展的功能。

实战应用

假设有这样一个需求：

  1. 业务登录商城用户鉴权
  2. 购买产品下订单
  3. 校验订单填写是否合法
  4. 记录接口中的参数
  5. 订单确认后给买家发短信通知

根据业务场景，我们大致可拆分为：用户流程、订单流程

用户登录流程

在用户登录流程中，可能用到拦截器做鉴权校验，日志记录接口参数等，使用了一些常见的设计模式。

场景一、用户鉴权校验

责任链模式

拦截器通常按照定义的顺序执行，每个拦截器检查特定的条件或执行特定的任务。

typescript 复制代码 
// 拦截器接口
public interface Interceptor {
    boolean intercept(AuthenticationContext context);
}

// 用户校验拦截器
public class UserValidationInterceptor implements Interceptor {
    @Override
    public boolean intercept(AuthenticationContext context) {
        // 用户校验逻辑
        if (isValidUser(context.getUser())) {
            return true;
        }
        return false;
    }

    private boolean isValidUser(User user) {
        // 校验用户是否有效
        return true; // 示例，实际中应有具体校验逻辑
    }
}

// 鉴权校验拦截器
public class AuthorizationInterceptor implements Interceptor {
    @Override
    public boolean intercept(AuthenticationContext context) {
        // 鉴权校验逻辑
        if (isAuthorized(context.getUser(), context.getCredentials())) {
            return true;
        }
        return false;
    }

    private boolean isAuthorized(User user, Credentials credentials) {
        // 校验用户是否有权限
        return true; // 示例，实际中应有具体校验逻辑
    }
}

// 拦截器链
public class InterceptorChain {
    private List<Interceptor> interceptors = new ArrayList<>();

    public void addInterceptor(Interceptor interceptor) {
        interceptors.add(interceptor);
    }

    public boolean execute(AuthenticationContext context) {
        for (Interceptor interceptor : interceptors) {
            if (!interceptor.intercept(context)) {
                // 如果拦截器返回false，则中断链的执行
                return false;
            }
        }
        return true;
    }
}

场景二、记录用户登录信息

单例模式

日志记录器通常设计为单例，确保全局只有一个实例。

ini 复制代码 
Logger logger = LoggerFactory.getLoggerFactoryInstance().getLogger();  
logger.log("This is a user log message");

在这行代码中，体现了单例模式的核心思想，确保了无论多少次调用LoggerFactory.getLoggerFactoryInstance()，都只会返回一个LoggerFactory实例。事实上，我们从源码中也可以看到。

订单流程

根据业务场景，核心订单流程如下：

场景三、订单校验

工厂模式

使用工厂模式实现的CheckOrderFactory，它用于创建不同类型的订单校验服务实例。

同时，我们定义一个校验接口ICheckOrderService，并创建了两个实现类:购买数量校验：CountCheckOrder和订单参数校验：ParamCheckOrder。

vbnet 复制代码 
public interface ICheckOrderService {
    boolean checkOrder(Object order);
    String getErrorMessage();
}

购买数量校验的实现类CountCheckOrder：

typescript 复制代码 
public class CountCheckOrder implements ICheckOrderService {
    @Override
    public boolean checkOrder(Object order) {
        // 假设order是一个包含购买数量的对象
        int quantity = ((Order) order).getQuantity();
        return quantity > 0; // 只允许购买数量大于0
    }

    @Override
    public String getErrorMessage() {
        return "购买数量必须大于0。";
    }
}

订单参数校验的实现类ParamCheckOrder：

typescript 复制代码 
public class ParamCheckOrder implements ICheckOrderService {
    @Override
    public boolean checkOrder(Object order) {
        // 假设order是一个包含各种订单参数的对象
        // 这里可以添加具体的订单参数校验逻辑
        return true; // 示例代码，默认返回true
    }

    @Override
    public String getErrorMessage() {
        return "订单参数校验失败。";
    }
}

工厂类CheckOrderFactory，用于创建不同类型的校验服务实例：

typescript 复制代码 
public class CheckOrderFactory {
    public static ICheckOrderService createCheckOrderService(String type) {
        switch (type) {
            case "count":
                return new CountCheckOrder();
            case "param":
                return new ParamCheckOrder();
            default:
                throw new IllegalArgumentException("不支持的校验类型: " + type);
        }
    }
}

使用工厂模式有利于业务类的实现和拓展，但是有时候也存在过度设计，导致写了很多的业务类。

场景四、短信通知

观察者模式（监听模式）

在Spring框架中，我们可以使用ApplicationEvent和ApplicationListener来实现事件发布和监听的功能。

假设我们要下发一个购买成功的短信提醒，那么就可以发布一个自定义的PurchaseSuccessEvent事件。

typescript 复制代码 
import org.springframework.context.ApplicationEvent;

public class PurchaseSuccessEvent extends ApplicationEvent {
    private final String buyerPhoneNumber;
    private final String orderId;

    public PurchaseSuccessEvent(Object source, String buyerPhoneNumber, String orderId) {
        super(source);
        this.buyerPhoneNumber = buyerPhoneNumber;
        this.orderId = orderId;
    }

    public String getBuyerPhoneNumber() {
        return buyerPhoneNumber;
    }

    public String getOrderId() {
        return orderId;
    }
}

接着定义一个SmsNotificationListener类，它实现了ApplicationListener接口，用于监听PurchaseSuccessEvent事件：

typescript 复制代码 
import org.springframework.context.ApplicationListener;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class SmsNotificationListener implements ApplicationListener<PurchaseSuccessEvent> {
    
    @Override
    public void onApplicationEvent(PurchaseSuccessEvent event) {
        String message = "亲爱的买家，您的订单 " + event.getOrderId() + " 购买成功！";
        sendSms(event.getBuyerPhoneNumber(), message);
    }

    private void sendSms(String phoneNumber, String message) {
        // 在这里实现发送短信的逻辑
        System.out.println("Sending SMS to " + phoneNumber + ": " + message);
    }
}

然后，在Spring的配置中启用事件发布功能。配置一个ApplicationEventPublisher的bean：

kotlin 复制代码 
import org.springframework.context.ApplicationEventPublisher;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.context.support.GenericApplicationContext;

@Configuration
public class AppConfig {
    
    @Bean
    public ApplicationEventPublisher applicationEventPublisher() {
        return new GenericApplicationContext();
    }
}

最后，在业务逻辑中发布PurchaseSuccessEvent事件。

typescript 复制代码 
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.ApplicationEventPublisher;
import org.springframework.stereotype.Service;

@Service
public class PurchaseService {

    private final ApplicationEventPublisher applicationEventPublisher;

    @Autowired
    public PurchaseService(ApplicationEventPublisher applicationEventPublisher) {
        this.applicationEventPublisher = applicationEventPublisher;
    }

    public void completePurchase(String buyerPhoneNumber, String orderId) {
        // 模拟购买完成的业务逻辑
        // ...

        // 发布购买成功事件
        applicationEventPublisher.publishEvent(new PurchaseSuccessEvent(this, buyerPhoneNumber, orderId));
    }
}

总结

  • 使用设计模式的宗旨：封装变化的部分，维护不变的宗旨
  • 好处：提高代码拓展性，程序更优雅更健壮
  • 对开源框架设计模式的使用，要提高鉴赏能力
  • 考虑可读性，不可为了设计模式而过度设计
  • 采石之人，应有建设大教堂的愿景

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结尾

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