突破编程_C++_设计模式（代理模式）

1 代理模式的基本概念

在C++中，代理模式是一种常见的设计模式，用于在对象之间提供一种间接层或"代理"，以控制对实际对象的访问。代理模式的主要目的是在不改变原始对象接口的情况下，增加额外的逻辑或控制。比如常见的远程代理：当对象在不同的地址空间（如不同的计算机或网络位置）时，代理可以提供一个本地代表，隐藏对象存在于不同地址空间的事实。

代理模式包含以下主要组件：

（1）Subject（主题）： 定义了实际对象（Real Object）和代理对象（Proxy Object）共同实现的接口。这个接口定义了实际对象的行为。

（2）Real Object（实际对象）： 实现了 Subject 接口，定义了实际的功能。

（3）Proxy Object（代理对象）： 同样实现了 Subject 接口，但它并不直接实现功能。相反，它持有对 Real Object 的引用，并在需要时代表 Real Object 执行操作。代理对象可以在调用 Real Object 的方法之前或之后添加额外的逻辑，如权限检查、日志记录、缓存等。

2 代理模式的实现步骤

在 C++ 中实现代理模式通常涉及以下步骤：

（1）定义接口

首先，需要定义一个接口（或者抽象类），该接口定义了代理类和被代理类必须实现的共同方法。这个接口定义了代理模式的公共契约，确保客户端代码能够统一地与代理类和被代理类交互。

（2）创建被代理类

接下来，需要创建被代理类（Real Subject），这个类实现了在第一步中定义的接口。被代理类是实际执行功能的类，它包含了客户端需要的实际业务逻辑。

（3）创建代理类

然后，需要创建代理类（Proxy）。代理类同样实现了第一步中定义的接口。在代理类的方法中，可以添加额外的逻辑或控制。这些额外的逻辑可以是在调用被代理类方法之前、之后，或者替代被代理类方法的逻辑。

（4）实现代理逻辑

在代理类中，需要持有对被代理类的引用或指针。当客户端调用代理类的方法时，代理类可以根据需要决定是直接执行被代理类的方法，还是在执行前后添加额外的逻辑。

（5）使用代理

最后，客户端代码通过代理类与被代理类交互。客户端不需要知道代理类的存在，它只需要关心接口定义的方法。代理类负责在客户端和被代理类之间传递请求，并在必要时添加额外的逻辑或控制。

下面是一个简单的代理模式实现示例：

首先是接口定义：

#include <iostream>
#include <memory>

class ISubject {
public:
	virtual ~ISubject() = default;
	virtual void Request() = 0; // 纯虚函数，要求实现类提供具体实现  
};

接着是被代理类：

class RealSubject : public ISubject {
public:
	void Request() override {
		// 实现具体的业务逻辑  
		std::cout << "RealSubject::Request() is called." << std::endl;
	}
};

然后是代理类:

class ProxySubject : public ISubject 
{
public:
	ProxySubject() : realSubject(std::make_shared<RealSubject>()) {}
	~ProxySubject() { ; }

	void Request() override {
		// 在调用被代理类的方法前后添加额外的逻辑  
		std::cout << "ProxySubject::BeforeRequest()" << std::endl;
		realSubject->Request();
		std::cout << "ProxySubject::AfterRequest()" << std::endl;
	}
private:
	std::shared_ptr<RealSubject> realSubject; // 持有对被代理类的引用  
};

最后是客户端代码：

int main() 
{
	std::shared_ptr<ISubject> subject = std::make_shared<ProxySubject>(); // 客户端通过代理类与被代理类交互  
	subject->Request(); // 调用代理类的方法  

	return 0;
}

上面代码的输出为：

ProxySubject::BeforeRequest()
RealSubject::Request() is called.
ProxySubject::AfterRequest()

在上面代码中，ISubject 是一个接口，定义了 Request 方法。RealSubject 是实现了 ISubject 接口的被代理类，它提供了 Request 方法的具体实现。ProxySubject 是代理类，它同样实现了 ISubject 接口，并在其 Request 方法中添加了额外的逻辑，如打印一些信息。

客户端代码通过 ProxySubject 类型的指针调用 Request 方法，代理类在调用被代理类的方法前后输出了额外的信息。

3 代理模式的应用场景

C++ 代理模式的应用场景主要涉及以下几个方面：

（1）远程代理： 当一个对象位于不同的地址空间时，代理模式可以提供一个局域代表对象。这在分布式系统中尤其有用，例如，一个客户端可能需要通过代理访问位于远程服务器上的对象。

（2）虚拟代理： 当创建一个资源消耗很大或者创建过程复杂的对象时，可以使用虚拟代理来延迟对象的创建。虚拟代理在真实对象创建成功之前扮演其替身，并在用户请求时转发给真实对象。例如，在网页加载过程中，未打开的图片框通过虚拟代理替代真实的图片，代理存储了真实图片的路径和尺寸。

（3）安全代理： 安全代理用于控制对真实对象的访问权限。它可以实现不同用户的访问权限控制，为不同用户提供不同的操作函数。

（4）智能引用： 智能引用代理可以在调用真实对象的方法时，处理额外的逻辑。例如，代理可以在调用前后添加日志记录、性能监控等。

（5）外部接口代理： 当使用外部提供的接口（如 STL 或动态库 API 函数）时，由于这些接口可能会发生改变，直接使用可能导致项目与接口函数之间的耦合度很高。通过使用代理模式，可以在项目中用一个类封装这个外部接口，将耦合控制在这个类中，并管理外部接口函数的所有功能。这样，当外部接口函数有变化时，只需要修改代理类中的耦合部分，而无需在整个项目中寻找和修改。

以上这些应用场景都体现了代理模式的主要优点，即提供一种代理以控制对某个对象的访问，减少系统耦合度，增强系统的灵活性和可扩展性。

3.1 代理模式应用于远程代理

代理模式应用于远程代理的实现中，通常会创建一个本地代理对象，它代表一个远程对象。这个本地代理对象可以处理与远程对象的通信，包括序列化和反序列化数据、通过网络发送请求和接收响应等。下面是一个简单的 C++ 示例，展示了如何使用代理模式实现远程代理。

首先，定义远程接口 IRemoteObject：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

class IRemoteObject {
public:
    virtual ~IRemoteObject() = default;
    virtual void PerformAction() = 0; // 远程对象需要执行的操作
};

然后，实现远程对象 RemoteObject，它位于远程地址空间：

class RemoteObject : public IRemoteObject {
public:
    void PerformAction() override {
        // 远程对象执行的实际操作
        std::cout << "RemoteObject::PerformAction() is called." << std::endl;
    }
};

接下来，创建本地代理 LocalProxy，它实现了相同的接口并处理与远程对象的通信：

// 假设有一个用于远程通信的类
class RemoteCommunication {
public:
    void SendRequestToRemote(const std::string& action) {
        // 在这里实现与远程对象的通信，例如通过网络发送请求
        std::cout << "Sending request to remote: " << action << std::endl;
        // 假设远程对象执行了请求并返回了结果
    }
};

class LocalProxy : public IRemoteObject 
{
public:
	LocalProxy(std::shared_ptr<RemoteCommunication> comm) : communication(communication) {}

	void PerformAction() override {
		// 在调用远程对象之前，可以添加本地逻辑
		std::cout << "LocalProxy::BeforeRemoteCall()" << std::endl;

		// 通过通信层发送请求到远程对象
		communication->SendRequestToRemote("PerformAction");

		// 在调用远程对象之后，可以添加本地逻辑
		std::cout << "LocalProxy::AfterRemoteCall()" << std::endl;
	}
private:
	std::shared_ptr<RemoteCommunication> communication;

};

最后，客户端代码通过本地代理与远程对象交互：

int main() 
{
    // 创建本地代理实例，并将远程通信实例传递给它
	std::shared_ptr<LocalProxy> proxy = std::make_shared<LocalProxy>(std::make_shared<RemoteCommunication>());

	// 客户端通过代理调用方法
	proxy->PerformAction();

    return 0;
}

上面代码的输出为：

LocalProxy::BeforeRemoteCall()
Sending request to remote: PerformAction
LocalProxy::AfterRemoteCall()

在这个示例中，LocalProxy 类充当了远程对象 RemoteObject 的代理。当客户端调用 proxy->PerformAction() 时，LocalProxy 会处理与远程对象的通信，包括发送请求和接收响应。RemoteCommunication 类模拟了实际的远程通信过程，但在实际应用中，可能需要使用网络库（如 Boost.Asio、Poco 等）来实现这部分逻辑。

这个示例简化了实际的远程过程调用（RPC）机制。在真实的业务应用中，远程代理的实现可能会涉及更多的细节，如序列化/反序列化数据、异常处理、连接管理等。

3.2 代理模式应用于安全代理

如果需要想控制对某个对象的访问权限时，可以创建一个代理对象来检查访问权限，并根据这些权限来允许或拒绝访问。下面是一个简单的示例，其中 SecuredObject 是一个需要保护的对象，而 SecurityProxy 是它的安全代理。

首先，定义 ISecuredObject 接口：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>

class ISecuredObject {
public:
    virtual ~ISecuredObject() = default;
    virtual void SensitiveOperation() = 0; // 敏感操作
};

然后，实现 SecuredObject 类：

class SecuredObject : public ISecuredObject {
public:
    void SensitiveOperation() override {
        // 执行敏感操作
        std::cout << "SecuredObject::SensitiveOperation() is called." << std::endl;
    }
};

接下来，创建 SecurityProxy 类作为安全代理：

class SecurityProxy : public ISecuredObject
{
public:
	SecurityProxy(std::shared_ptr<ISecuredObject> obj, const std::string& user)
		: securedObject(obj), allowedUser(user) {}

	void SensitiveOperation() override {
		std::string currentUser = "currentUser"; // 假设这是当前用户
		if (currentUser == allowedUser) {
			// 如果当前用户是允许的用户，则执行操作
			securedObject->SensitiveOperation();
		}
		else {
			// 否则，拒绝访问
			std::cout << "Access denied for user: " << currentUser << std::endl;
		}
	}

private:
	std::shared_ptr<ISecuredObject> securedObject;
	std::string allowedUser;
};

最后，客户端代码通过安全代理与 SecuredObject 交互：

int main() 
{
    // 创建安全代理实例，并指定允许的用户
	SecurityProxy proxy(std::make_shared<SecuredObject>(), "allowedUser");

	// 假设当前用户是允许的用户
	std::string currentUser = "allowedUser";
	if (currentUser == "allowedUser") {
		// 通过代理调用敏感操作，允许访问
		proxy.SensitiveOperation();
	}
	else {
		// 如果当前用户不是允许的用户，则不调用代理的SensitiveOperation方法
		std::cout << "Not allowed to call SensitiveOperation for user: " << currentUser << std::endl;
	}
	
	return 0;
}

上面代码的输出为：

Access denied for user: currentUser

在这个示例中， SecurityProxy 类封装了 SecuredObject 对象，并检查当前用户是否有权限执行 SensitiveOperation 方法。如果当前用户是允许的用户（在此示例中硬编码为 "allowedUser" ），则代理将调用实际对象的 SensitiveOperation 方法。否则，它将拒绝访问并输出一个拒绝消息。

4 代理模式的优点与缺点

C++ 代理模式的优点主要包括：

（1）控制访问： 代理模式提供了一种控制对原始对象访问的机制。通过代理，你可以增加访问前的安全检查、日志记录或权限验证等。

（2）功能增强： 代理可以在调用原始对象的方法前后添加额外的逻辑，比如缓存、延迟加载或性能统计等。

（3）远程访问： 对于远程对象，代理可以隐藏远程调用的细节，如网络延迟、异常处理等，使得本地代码调用远程对象就像调用本地对象一样简单。

（4）接口统一： 代理可以使得不同类的对象使用统一的接口，从而简化客户端代码。

（5）解耦： 代理模式有助于减少系统与真实对象之间的耦合度，使得系统更加灵活和可维护。

然而，C++ 代理模式也存在一些缺点：

（1）性能开销： 由于代理模式需要额外创建一个代理对象来转发请求，这可能会引入一定的性能开销。虽然这种开销通常很小，但在高性能要求的场景下可能需要注意。

（2）复杂性增加： 使用代理模式可能会增加代码的复杂性，因为需要创建和管理代理对象。这可能会使得代码更难理解和维护。

（3）滥用风险： 如果过度使用代理模式，可能会导致代码结构变得过于复杂和混乱。在设计系统时，需要权衡是否真正需要代理模式，并避免不必要的复杂性。

（4）透明性问题： 代理模式可能会隐藏原始对象的真实行为和状态，使得调试和排查问题变得更加困难。因此，在使用代理模式时，需要确保代理对象的行为与原始对象保持一致，并提供足够的调试信息。