设计模式（十三）结构型：代理模式详解

设计模式（十三）结构型：代理模式详解

代理模式（Proxy Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的结构型模式之一，其核心价值在于为其他对象提供一种间接访问的机制，以控制对原始对象的访问。它通过引入一个"代理"对象，作为客户端与真实对象之间的中介，从而在不改变原始接口的前提下，实现访问控制、延迟初始化、日志记录、权限校验、缓存、远程通信等附加功能。代理模式是实现"开闭原则"和"单一职责原则"的重要手段，广泛应用于远程服务调用（RMI、Web Service）、虚拟代理（延迟加载）、保护代理（权限控制）、智能引用（资源管理）等场景，是构建安全、高效、可维护系统的关键架构模式。

一、详细介绍

代理模式解决的是"直接访问目标对象存在限制或需要增强控制"的问题。在某些情况下，客户端不能或不应直接访问真实对象，例如：

• 对象创建代价高昂（如大型图像、数据库连接），需延迟加载；
• 对象位于远程主机，需通过网络访问；
• 对象涉及敏感操作，需进行权限验证；
• 需要监控对象的访问行为（如调用次数、执行时间）。

代理模式通过一个与真实对象具有相同接口的代理对象，拦截所有对真实对象的请求，并在转发前或后执行额外逻辑。客户端通过代理与真实对象交互，整个过程对客户端透明。

该模式包含以下核心角色：

• Subject（抽象主题）：定义真实对象和代理对象的公共接口，客户端通过该接口访问目标。可以是接口或抽象类。
• RealSubject（真实主题） ：实现 Subject 接口，是代理所代表的真实对象，包含核心业务逻辑。
• Proxy（代理类） ：实现 Subject 接口，持有对 RealSubject 的引用。它控制对真实对象的访问，可在调用前后执行额外操作（如检查权限、缓存结果、记录日志）。

根据使用目的不同，代理模式可分为多种类型：

1. 远程代理（Remote Proxy）：为位于不同地址空间的对象提供本地代表，隐藏网络通信细节（如 RMI、gRPC Stub）。
2. 虚拟代理（Virtual Proxy）：延迟创建开销大的对象，直到真正需要时才初始化（如图片懒加载）。
3. 保护代理（Protection Proxy）：控制对对象的访问权限，根据角色决定是否允许操作（如管理员 vs 普通用户）。
4. 智能引用（Smart Reference）：在访问对象时执行额外操作，如引用计数、空指针检查、缓存结果。
5. 缓存代理（Caching Proxy）：缓存真实对象的操作结果，提高性能，避免重复计算或远程调用。

代理模式的关键优势：

• 增强控制：可在访问前后插入逻辑，实现横切关注点。
• 解耦客户端与真实对象：客户端不依赖具体实现，便于替换或扩展。
• 提高安全性：通过保护代理实现权限隔离。
• 优化性能：通过虚拟代理延迟加载，缓存代理减少重复操作。

与"装饰器模式"相比，代理关注访问控制 ，装饰器关注功能增强 ；代理通常不改变对象行为本质，而是控制何时、如何访问；装饰器则明确添加新功能。与"外观模式"相比，代理封装的是单个对象的访问 ，外观封装的是多个子系统的协作。

二、代理模式的UML表示

以下是代理模式的标准 UML 类图：
implements implements has a uses <<interface>> Subject +request() RealSubject +request() Proxy -realSubject: RealSubject +request() +preRequest() +postRequest() Client -subject: Subject +doWork()

图解说明：

• Subject 是统一接口，客户端通过它与真实对象或代理交互。
• RealSubject 是真实业务对象。
• Proxy 持有 RealSubject 引用，在 request() 中可调用 preRequest() 和 postRequest() 执行额外逻辑。
• 客户端通过 Subject 接口调用，无法区分是代理还是真实对象。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个文档管理系统中"受保护的文件访问"示例，展示如何使用保护代理控制对敏感文件的访问。

Java 程序实例

// 抽象主题：文件访问接口
interface Document {
    void open();
    void edit();
}

// 真实主题：实际文档对象
class RealDocument implements Document {
    private String fileName;

    public RealDocument(String fileName) {
        this.fileName = fileName;
        loadFromDisk(); // 模拟耗时操作
    }

    private void loadFromDisk() {
        System.out.println("📄 正在从磁盘加载文档: " + fileName);
        try {
            Thread.sleep(1000); // 模拟加载延迟
        } catch (InterruptedException e) {
            Thread.currentThread().interrupt();
        }
        System.out.println("✅ 文档 " + fileName + " 加载完成");
    }

    @Override
    public void open() {
        System.out.println("🔓 打开文档: " + fileName);
    }

    @Override
    public void edit() {
        System.out.println("✍️ 编辑文档: " + fileName);
    }
}

// 代理类：保护代理，控制文档访问权限
class ProtectedDocumentProxy implements Document {
    private String fileName;
    private RealDocument realDocument; // 延迟初始化
    private String currentUser;
    private boolean isAdmin;

    public ProtectedDocumentProxy(String fileName, String currentUser, boolean isAdmin) {
        this.fileName = fileName;
        this.currentUser = currentUser;
        this.isAdmin = isAdmin;
    }

    @Override
    public void open() {
        if (canAccess()) {
            // 虚拟代理：延迟加载真实对象
            if (realDocument == null) {
                realDocument = new RealDocument(fileName);
            }
            logAccess("open");
            realDocument.open();
        } else {
            System.out.println("❌ 用户 " + currentUser + " 无权打开文档: " + fileName);
        }
    }

    @Override
    public void edit() {
        if (canModify()) {
            if (realDocument == null) {
                realDocument = new RealDocument(fileName);
            }
            logAccess("edit");
            realDocument.edit();
        } else {
            System.out.println("❌ 用户 " + currentUser + " 无权编辑文档: " + fileName);
        }
    }

    // 权限检查：读取权限
    private boolean canAccess() {
        return isAdmin || currentUser.equals("owner");
    }

    // 权限检查：修改权限
    private boolean canModify() {
        return isAdmin; // 只有管理员可编辑
    }

    // 访问日志
    private void logAccess(String operation) {
        System.out.println("📝 日志: 用户 [" + currentUser + "] 执行 [" + operation + "] 操作 on " + fileName);
    }
}

// 客户端使用示例
public class ProxyPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("🔐 文档管理系统 - 保护代理示例\n");

        // 创建代理对象（不立即加载真实文档）
        Document doc = new ProtectedDocumentProxy("财务报告.docx", "alice", false);

        // 普通用户尝试打开文档
        System.out.println("👉 用户 alice (普通用户) 尝试打开文档:");
        doc.open(); // 允许打开

        System.out.println("\n👉 用户 alice 尝试编辑文档:");
        doc.edit(); // 拒绝编辑

        System.out.println("\n" + "=".repeat(50) + "\n");

        // 管理员访问
        Document adminDoc = new ProtectedDocumentProxy("财务报告.docx", "admin", true);
        System.out.println("👉 用户 admin (管理员) 尝试打开并编辑文档:");
        adminDoc.open();
        adminDoc.edit();

        System.out.println("\n💡 说明：真实文档仅在首次访问时加载，且权限由代理控制。");
    }
}

实例对应的UML图（简化版）

implements implements creates on demand uses <<interface>> Document +open() +edit() RealDocument -fileName: String +RealDocument(fileName: String) +open() +edit() ProtectedDocumentProxy -fileName: String -realDocument: RealDocument -currentUser: String -isAdmin: boolean +open() +edit() +canAccess() +canModify() +logAccess(operation: String) Client +main(args: String[])

运行说明：

• ProtectedDocumentProxy 实现了 Document 接口，持有文件名和用户信息。
• 真实文档 RealDocument 在首次 open() 或 edit() 时才创建（虚拟代理特性）。
• 代理在调用前检查权限（保护代理），并记录访问日志（智能引用）。
• 客户端通过统一接口操作，无法感知代理的存在。

四、总结

特性	说明
核心目的	控制对对象的访问，增强安全性与灵活性
实现机制	实现相同接口，持有真实对象引用，拦截并转发请求
优点	访问控制、延迟加载、日志监控、远程透明化、解耦客户端
缺点	增加系统复杂性、可能引入性能开销（间接调用）、需维护代理逻辑
适用场景	权限控制、远程服务、延迟初始化、缓存、资源管理、AOP
不适用场景	对象简单、无需控制、性能极度敏感

代理模式使用建议：

• 代理类应尽量轻量，避免成为性能瓶颈。
• 可结合工厂模式或依赖注入创建代理。
• 在 Java 中，动态代理（java.lang.reflect.Proxy）可减少静态代理的类膨胀问题。
• Spring AOP 的 JDK Dynamic Proxy 和 CGLIB 是代理模式的高级应用。

架构师洞见：

代理模式是"间接性"与"控制力"的完美结合。在现代架构中，其思想已渗透到微服务治理 、API 网关 、服务网格（Istio/Linkerd） 和AOP（面向切面编程） 的核心。例如，在服务网格中，Sidecar 代理拦截所有进出服务的流量，实现熔断、限流、加密；在 Spring 框架中，@Transactional 注解通过代理实现声明式事务管理；在前端，Proxy 对象用于实现响应式数据监听（如 Vue 3）。

未来趋势是：代理模式将与AI 安全网关 结合，智能代理可动态分析请求内容并决定是否放行；在边缘计算 中，设备代理将统一管理异构设备的通信协议；在元编程 和运行时增强中，代理将成为实现热更新、动态配置的核心机制。

掌握代理模式，有助于设计出安全、可控、可监控 的系统。作为架构师，应在系统边界、服务入口、资源访问点主动引入代理层，将"控制逻辑"与"业务逻辑"分离。代理不仅是模式，更是系统治理的哲学------它告诉我们：真正的掌控力，来自于对"访问路径"的精心设计与智能干预。