C++设计模式——Proxy代理模式

一,代理模式简介

代理模式是一种 **结构型设计模式,**该模式通过引入一个新的代理对象Proxy,来间接访问原始对象,从而使访问方式变得灵活和可控。
代理对象的设定减少了客户端与真实对象之间的直接交互。
通过引入代理对象来间接访问原始的对象,达到延迟访问和隔离的效果,这就是代理模式的主要用途。
举个例子:
当有多个客户端对数据库发起大批量请求时,数据库由于需要同时处理多个请求,导致其处理速度变得很慢。

此时如果有一个代理,用法上和数据库一致,这个代理先收集来自多个客户端的请求,进行缓存,然后逐渐转发给数据库,避免了通道发生阻塞,那么数据库此时的处理速度会大大提升。

二,代理模式的结构

**1.抽象对象(Subject):**定义了真实对象和代理对象的共同接口。

**2.真实对象(RealSubject):**又称为被代理对象,代理模式中的核心角色,定义了真正需要被代理的业务逻辑。

**3.代理对象(Proxy):**充当了客户端与真实对象之间的中介。

对应UML类图:

1.Subject定义了Proxy和RealSubject的公共接口。

2.Proxy和RealSubject都实现了Subject的接口。

3.客户端(Client)通过Proxy与RealSubject进行交互。

4.RealSubject负责完成主要的接口实现,Proxy负责控制外部Client对接口的访问。

5.Proxy内部包含对Subject的对象指针或引用,因此Proxy可以进一步调用子类RealSubject中的函数(forward calls)。

6.在某些情况下,Proxy可以用来完成RealSubject实例的创建与销毁。

7.Client是使用Proxy的对象,它通过Proxy来访问和操作RealSubject。

代码实现:

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

class Subject
{
public:
       virtual void request() = 0;
       virtual ~Subject() {}
};

class RealSubject : public Subject
{
public:
       void request() {
          cout << "RealSubject.request()" << endl;
       }
};

class Proxy : public Subject
{
private:
       Subject* realSubject;
public:
       Proxy()
       {
              realSubject = new RealSubject();
       }
       ~Proxy()
       {
              delete realSubject;
       }
       // Forward calls to the RealSubject:
       void request() {
              realSubject->request();
       }
};

int main() {
       Proxy p;
       p.request();
}

运行结果:

bash 复制代码
RealSubject.request()

补充:在C++编码中,确实可以通过继承和虚函数实现父类调用子类的成员函数,这是C++多态特性的一种常见应用方式。

cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void print() { 
        cout << "Base class method" << endl; 
    }
};

class Derived : public Base {
public:
    // 重写父类的虚函数
    virtual void print() override { 
       cout << "Derived class method" << endl;  
    }
};

int main() {
    // 父类对象调用子类方法
    Base* baseObj = new Derived();
    baseObj->print();
}

运行结果:

bash 复制代码
Derived class method

三,代理模式的种类

**简单代理(Simple Proxy):**主要用于转发请求和处理一些基本操作,例如添加日志、计时等。

**远程代理(Remote Proxy):**当主体对象在另一个地址空间(如网络地址)时,远程代理会提供远程通信的功能,进行数据的访问和转换。

**智能引用代理(Smart Reference Proxy):**也称为共享代理,它维护了多个客户端对同一目标的共享引用,并提供统一的接口。

**虚拟代理(Virtual Proxy):**延迟针对昂贵资源的访问,只有在真正使用时才加载。

**保护代理(Protection Proxy):**主要用于访问权限的控制,比如身份验证、授权等。

四,代理模式的应用场景

**1.延迟加载:**使资源密集型的对象仅仅在被使用时才加载,例如,访问大型数据库、加载大批量图像数据等。

**2.访问控制:**代理可以通过添加身份验证来控制对真实主体的访问,可用于保护敏感数据。

**3.缓存机制:**代理可以缓存高频次的请求,从而减少系统开销,优化性能。

**4.日志记录和监控:**代理可用于记录或监控对真实主体执行的操作,而无需修改其代码。

**5.远程访问:**在分布式系统中,真实主体可能位于不同的计算机上,代理模式可以隐藏远程通信的复杂细节。

**6.状态管理:**代理可以同步管理多个客户端所共享的真实主体的状态,确保它们的一致性。

五,代理模式的优缺点

代理模式的优点:

可以在不修改被代理对象的情况下,增加额外的功能或控制访问方式。

可以在访问对象之前和之后进行一些处理,比如添加日志、添加时间戳等。

可以实现远程代理,使得客户端可以通过网络访问远程的对象。

可以防止未经授权访问真实主体。

代理模式的缺点:

引入新的类,增加代码复杂性。

读取资源时,需要通过代理来间接访问,造成额外的性能损失。

六,代码实战

开发场景:基于Proxy模式来模拟对图片的延迟加载和显示控制。

1.创建Subject

cpp 复制代码
//Step 1: Define the Subject interface
class Image {
public:
    virtual void display() = 0;
};

2.创建RealSubject

cpp 复制代码
//Step 2: Implement the Real Object
class RealImage : public Image {
private:
    std::string filename;
public:
    RealImage(const std::string& filename) : filename(filename) {
        // Simulate loading the image
        std::cout << "Loading image: " << filename << std::endl;
    }

    void display() override {
        std::cout << "Displaying image: " << filename << std::endl;
    }
};

3.Proxy类实现与RealSubject相同的接口,并维护对RealSubject的引用。

cpp 复制代码
//Step 3: Create the Proxy
class ImageProxy : public Image {
private:
    // Reference to the Real Object
    RealImage* realImage;
    std::string filename;

public:
    ImageProxy(const std::string& filename) : filename(filename), realImage(nullptr) {}

    void display() override {
        if (realImage == nullptr) {
            realImage = new RealImage(filename);
        }
        realImage->display();
    }
};

完整代码实现:

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;
class Image {
public:
    virtual void display() = 0;
};

class RealImage : public Image {
private:
    std::string filename;
public:
    RealImage(const std::string& filename) : filename(filename) {
        // Simulate loading the image
        std::cout << "Loading image: " << filename << std::endl;
    }

    void display() override {
        std::cout << "Displaying image: " << filename << std::endl;
    }
};

class ImageProxy : public Image {
private:
    // Reference to the Real Object
    RealImage* realImage; 
    std::string filename;

public:
    ImageProxy(const std::string& filename) : filename(filename), realImage(nullptr) {}

    void display() override {
        if (realImage == nullptr) {
            realImage = new RealImage(filename);
        }
        realImage->display();
    }
};

int main() {
    //Create a proxy to an image
    Image* image = new ImageProxy("example.jpg");

    //Display the image
    image->display();

    //Displaying the image again
    image->display();

    delete image;
    return 0;
}

运行结果:

cpp 复制代码
Loading image: example.jpg
Displaying image: example.jpg
Displaying image: example.jpg

七,参考阅读

https://www.geeksforgeeks.org/proxy-pattern-c-design-patterns/

https://www.bogotobogo.com/DesignPatterns/proxy.php

https://design-patterns.readthedocs.io/zh-cn/latest/structural_patterns/proxy.html

https://refactoring.guru/design-patterns/proxy

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