走进 Gang of Four 设计模式：过滤器模式

我登哥MVP2026-07-18 9:39

走进 Gang of Four 设计模式：过滤器模式

说明：不仅告诉你"怎么用"，更告诉你"为什么这样设计"

前置知识：Java 面向对象基础（接口、多态、组合）、Stream API 基础

⚠ 关于 GoF 归属：过滤器模式（Filter Pattern）又称标准模式（Criteria Pattern），并非 GoF 《设计模式》中收录的 23 种模式之一。它融合了策略模式和组合模式的思想，广泛用于数据筛选和管道处理，常被归为补充结构型模式。

📊 设计模式分类总览

GoF 23 种设计模式可按两个维度交叉分类：类/对象 （处理方式） × 创建型/结构型/行为型（目的）。

维度 创建型（Creational） 结构型（Structural） 行为型（Behavioral）
类（Class） （通过继承复用） Factory Method 工厂方法 Adapter（类适配器） Interpreter（解释器） Template Method（模板方法）
对象（Object） （通过组合/聚合复用） Abstract Factory（抽象工厂） Builder（建造者） Prototype（原型） Singleton（单例） Adapter（对象适配器） Bridge（桥接） Composite（组合） Decorator（装饰） Facade（外观） Flyweight（享元） Proxy（代理） Chain of Resp.（责任链） Command（命令） Iterator（迭代器） Mediator（中介者） Memento（备忘录） Observer（观察者） State（状态） Strategy（策略） Visitor（访问者）

本文档聚焦的 Filter / Criteria（过滤器/标准模式） 不属于经典 GoF 23，但在数据处理、安全过滤、动态 SQL 构建等领域应用极其广泛。

📑 目录

  1. [模式概述 · 15 问深度分析](#模式概述 · 15 问深度分析)
  2. 框架源码实战分析
    • [Tomcat / Servlet Filter 机制](#Tomcat / Servlet Filter 机制)
    • [Spring Security FilterChain](#Spring Security FilterChain)
    • [MyBatis 动态 SQL SqlNode](#MyBatis 动态 SQL SqlNode)
  3. [深度追问：Why / How / Trade-off / Evolution / Modern Practice](#深度追问：Why / How / Trade-off / Evolution / Modern Practice)
  4. 总结
  5. 参考文献

1. 模式概述 · 15 问深度分析

Q1: 为什么需要这个模式？它解决了什么问题？

在实际业务中，我们经常需要对一个集合进行多维度、动态组合的筛选。例如：在一个电商平台中，用户可能需要筛选"手机"品类下"价格在 3000-5000 元之间"、"品牌为华为"、"好评度大于 95%"且"有现货"的商品。

该模式解决的核心问题是：动态组合筛选条件的复杂性 。它将"筛选规则"与"被筛选的对象集合"分离，避免了将大量繁琐的 if-else 条件判断硬编码在业务逻辑中。

Q2: 如果不用这个模式，会有什么缺陷？

如果不使用过滤器模式，通常的做法是在一个方法中写大量的 if-else 或者 switch-case 语句。

  • 代码臃肿与"散弹式"修改：当有新的筛选条件（如"促销商品"）加入时，必须修改原有的处理逻辑，违反开闭原则。
  • 组合爆炸：如果需要支持"条件A 并且 条件B"或者"条件A 或者 条件C"，硬编码会导致逻辑判断的组合呈指数级增长。
  • 无法复用：某个筛选逻辑（例如"判断是否过期"）无法在其他业务场景中直接复用，必须复制粘贴代码。
java 复制代码 
// ❌ 大量 if-else 硬编码，新增条件需要改源码
public List<Product> search(String category, Double minPrice, Double maxPrice,
                            String brand, Boolean inStock) {
    List<Product> result = products;
    if (category != null) {
        result = filterByCategory(result, category);
    }
    if (minPrice != null) {
        result = filterByMinPrice(result, minPrice);
    }
    if (brand != null) {
        result = filterByBrand(result, brand);
    }
    // 新增 "好评度" 条件需要在这里加新的 if
    return result;
}

Q3: 核心思想是什么？一句话如何概括？

  • 核心思想 ：将"筛选行为"封装为独立的标准对象（Criteria），并通过组合模式将多个标准链接起来，实现对数据的层层过滤。
  • 一句话概括：把各种过滤条件变成一个个独立的"滤芯"，通过自由拼接滤芯来过滤数据。

Q4: 包含哪些角色？每个角色的职责是什么？

过滤器模式通常包含以下四个核心角色：

  1. 目标对象/上下文（Target Object / Context） ：被过滤的数据载体（如 Product 类、Person 类），包含具体的属性。
  2. 过滤器接口（Criteria / Filter Interface） ：定义了统一的过滤方法，通常是 meetCriteria(List<Target>): List<Target>。
  3. 具体过滤器（Concrete Criteria） ：实现过滤器接口，负责实现具体的、单一维度的过滤逻辑（如 CriteriaMale、CriteriaPriceRange）。
  4. 组合过滤器（AndCriteria / OrCriteria / NotCriteria） ：同样实现过滤器接口，但内部持有其他过滤器对象，负责将多个过滤器进行逻辑上的 AND、OR 或 NOT 组合。

Q5: 它们之间如何协作？调用流程是怎样的？

  1. 初始化：客户端创建一系列具体过滤器对象（A, B, C）。
  2. 组装 ：客户端根据业务需求，将这些过滤器组装到组合过滤器中（例如：new AndCriteria(filterA, filterB)）。
  3. 执行：客户端将原始的数据集合传给最外层的过滤器。
  4. 传递 ：最外层过滤器调用内部过滤器的过滤方法。AndCriteria 把第一个过滤器的输出作为第二个过滤器的输入，如同流水线一样层层递进。

Q6: 为什么要这样设计？每个角色存在的意义是什么？

  • 定义接口的意义：确保所有的过滤行为都有统一的规格，使得"单一过滤器"和"组合过滤器"在外界看来没有任何区别（利用了组合模式的思想），可以被无缝替换和嵌套。
  • 单一具体过滤器的意义：保证高内聚。一个类只专注做好一件事（例如只管筛选性别）。
  • 组合过滤器的意义 ：它是这个模式的灵魂。它不关心具体的业务筛选逻辑，只关心逻辑运算（并、交、补），从而实现了策略与逻辑控制的完全解耦。

Q7: 为什么使用接口、抽象类、组合，而不是其他方式？

  • 为什么用接口/抽象类 ：为了实现多态 。客户端只需要知道 Criteria 接口，而不需要知道具体是哪个过滤器。
  • 为什么用组合（Composition）而不是继承（Inheritance） ：继承是静态的，在编译期就决定了父子关系。如果用继承来表现条件的组合，会导致类数量爆炸（例如 MaleAndAdultCriteria、MaleOrAdultCriteria）。而组合允许我们在运行时动态地把 A 和 B 拼在一起。

Q8: 这种设计符合哪些面向对象原则？

  • 开闭原则 (OCP) ：当需要增加新的筛选条件时，只需编写一个新的 ColorCriteria 类，完全不需要修改现有的过滤器类或客户端代码。
  • 单一职责原则 (SRP)：每个具体过滤器类只负责一项特定的过滤规则，职责非常单一。
  • 依赖倒置原则 (DIP) ：客户端和组合过滤器都依赖于抽象的 Criteria 接口，而不是依赖于具体的过滤器实现。

Q9: 它有哪些优点和局限性？会带来哪些额外成本？

优点：

  • 极高的灵活性：条件可以任意动态组合。
  • 良好的复用性：过滤器类是独立的，可以在不同的业务流程中复用。
  • 代码结构清晰 ：消除了复杂的嵌套 if-else。

局限性与额外成本：

  • 性能开销（内存与CPU） ：传统过滤器模式在每一步过滤时，通常会创建一个新的 List 来存储中间结果。如果数据量巨大或过滤器链很长，会产生大量的临时对象和内存拷贝。
  • 类数量增多：每个条件都需要一个独立的类，可能会导致类文件较多。

Q10: 它最适合哪些场景？哪些场景不应该使用？

最适合的场景：

  • 界面上有多个不确定组合的筛选框（如电商搜索页、OA 系统的员工检索）。
  • 业务规则经常变动，需要频繁增加、删除或修改筛选条件的系统。

不应该使用的场景：

  • 筛选条件非常固定，且永远不会改变。
  • 大数据量且对耗时极敏感的场景 ：在内存中进行多层循环过滤效率较低，这类场景更适合在数据库端（SQL 的 WHERE 条件）或搜索引擎（Elasticsearch）端直接进行过滤。

Q11: 它与容易混淆的其他设计模式有什么区别和联系？

与策略模式（Strategy）的区别：

  • 策略模式通常是互斥 的，你只能选择"算法A"或"算法B"（如不同的支付方式）。而过滤器模式是可叠加和组合的。

与责任链模式（Chain of Responsibility）的区别：

  • 责任链模式通常包含"阻断"机制，一个节点处理了，后面的节点可能就不处理了。而过滤器模式通常会遍历完所有的过滤器，目的是为了筛选和净化集合中的数据。

与装饰器模式（Decorator）的区别：

  • 装饰器是为了增强 原有对象的功能；过滤器则是为了裁剪数据集合。

Q12: 框架中有哪些典型应用？

  • Tomcat / Servlet 中的 Filter：这是最著名的变形（结合了责任链）。在请求到达 Servlet 之前，经过一系列 Filter（如编码过滤、登录校验），层层净化和校验 Request/Response。
  • Spring Security 中的 FilterChain：通过配置多个过滤器，动态决定哪些请求需要哪些安全检查。
  • MyBatis 中的动态 SQL ：<where>, <if>, <choose> 标签在本质上就是在逻辑层拼接和构建过滤标准。

Q13: 如何从零实现一个最小可运行版本？

java 复制代码 
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 1. 目标对象
class Person {
    private String name;
    private String gender;

    public Person(String name, String gender) {
        this.name = name;
        this.gender = gender;
    }
    public String getName() { return name; }
    public String getGender() { return gender; }
    @Override
    public String toString() { return name + " (" + gender + ")"; }
}

// 2. 过滤器接口
interface Criteria {
    List<Person> meetCriteria(List<Person> persons);
}

// 3. 具体过滤器：只保留男性
class CriteriaMale implements Criteria {
    @Override
    public List<Person> meetCriteria(List<Person> persons) {
        List<Person> malePersons = new ArrayList<>();
        for (Person person : persons) {
            if (person.getGender().equalsIgnoreCase("MALE")) {
                malePersons.add(person);
            }
        }
        return malePersons;
    }
}

// 4. 组合过滤器：AND 逻辑
class AndCriteria implements Criteria {
    private Criteria criteria;
    private Criteria otherCriteria;

    public AndCriteria(Criteria criteria, Criteria otherCriteria) {
        this.criteria = criteria;
        this.otherCriteria = otherCriteria;
    }

    @Override
    public List<Person> meetCriteria(List<Person> persons) {
        List<Person> firstCriteriaPersons = criteria.meetCriteria(persons);
        return otherCriteria.meetCriteria(firstCriteriaPersons);
    }
}

// 5. 客户端调用
public class FilterPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        List<Person> persons = new ArrayList<>();
        persons.add(new Person("Robert", "Male"));
        persons.add(new Person("John", "Male"));
        persons.add(new Person("Laura", "Female"));

        Criteria male = new CriteriaMale();
        List<Person> males = male.meetCriteria(persons);
        System.out.println(males); // [Robert (Male), John (Male)]
    }
}

Q14: 如何在现有项目中识别可以使用该模式的地方？

  1. 庞大的 QueryService ：里面写满了诸如 if (req.getAge() != null) { ... } 且这些条件经常因为前端需求的改动而增删。
  2. 多处重复的筛选逻辑：比如在 A 报表和 B 报表中，都有一段一模一样的代码用来过滤"无效订单"。
  3. 配置文件或前端传回复杂的 JSON 逻辑树：前端需要支持自定义配置"条件1 AND (条件2 OR 条件3)"，这种动态解析最适合用过滤器模式映射。

Q15: 如果重新设计这个模式，在今天会有哪些改进？

改进 1：利用 Java 8 函数式接口与 Stream API

核心接口直接复用 JDK 自带的 java.util.function.Predicate<T>。利用 Stream.filter()，不仅消除了中间多层 List 的内存拷贝开销（流式惰性求值），还天然支持并发（parallelStream()）。

改进 2：结合 Lambda 表达式消灭具体类

java 复制代码 
Predicate<Person> isMale = p -> "Male".equalsIgnoreCase(p.getGender());
Predicate<Person> isAdult = p -> p.getAge() > 18;

// 利用 Predicate 自带的 and / or / negate 进行组合
List<Person> result = persons.stream()
                             .filter(isMale.and(isAdult))
                             .collect(Collectors.toList());

改进 3：微服务与配置中心集成

过滤规则从配置中心（如 Nacos/Apollo）动态下发表达式字符串（如 age > 18 && gender == 'Male'），在内存中动态编译成 Predicate 执行，实现零部署的动态过滤。

2. 框架源码实战分析

2.1 Tomcat / Servlet Filter 机制

Tomcat 的 Filter 机制是过滤器模式最著名的工业变形，它融合了责任链模式（Chain of Responsibility）。

核心架构与角色
  • javax.servlet.Filter（过滤器接口） ：定义了 doFilter(request, response, chain) 方法。
  • javax.servlet.FilterChain（过滤器链接口） ：定义了 doFilter(request, response) 方法，负责驱动下一个过滤器执行。
  • ApplicationFilterChain（Tomcat 中的具体实现） ：内部维护了一个 FilterConfig[] 数组和一个自增的下标计数器 pos。
核心源码与执行机制

Tomcat 没有为每个过滤器层层嵌套（如 new FilterA(new FilterB())），而是采用数组 + 下标的高效设计：

java 复制代码 
public final class ApplicationFilterChain implements FilterChain {
    private FilterConfig[] filters = new FilterConfig[0];
    private int pos = 0;
    private int n = 0;
    private Servlet servlet = null;

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response) {
        if (pos < n) {
            FilterConfig filterConfig = filters[pos++];
            Filter filter = filterConfig.getFilter();
            filter.doFilter(request, response, this); // 将自身作为 chain 传入
        } else {
            servlet.service(request, response); // 所有 Filter 执行完毕
        }
    }
}

妙处解析------双向拦截（U 型回溯）： filter.doFilter 把 this（Chain 本身）传给具体 Filter，允许具体 Filter 控制请求的放行与回溯：

java 复制代码 
public class LogFilter implements Filter {
    public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain) {
        System.out.println("1. 请求进来了...");         // 前置增强
        chain.doFilter(req, res);                        // 放行
        System.out.println("2. 业务处理完了...");        // 后置增强
    }
}

这种设计让一个普通的数组结构，在运行时通过函数调用栈变成了一个 U 型的执行流（Request 顺流而下，Response 逆流而上）。

2.2 Spring Security FilterChain

Spring Security 的核心就是一个大号的过滤器链。它通过 DelegatingFilterProxy 作为桥梁，将 Servlet 容器的 Filter 机制与 Spring IoC 容器连接起来。

核心源码与执行机制

Spring Security 需要根据不同的 URL 应用不同的安全策略：

java 复制代码 
public class FilterChainProxy extends GenericFilterBean {
    private List<SecurityFilterChain> filterChains;

    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain chain) {
        // 根据当前请求的 URL，匹配最合适的一条安全过滤器链
        List<Filter> filters = getFilters(request);

        if (filters == null || filters.isEmpty()) {
            chain.doFilter(request, response); // 没匹配到，直接放行
            return;
        }

        // 创建 Spring Security 内部的虚拟过滤器链
        VirtualFilterChain vfc = new VirtualFilterChain(chain, filters);
        vfc.doFilter(request, response);
    }
}

妙处解析------按需定制的"积木式"防御：

Spring Security 内部提供了几十个 Filter（如 UsernamePasswordAuthenticationFilter 负责表单登录，CsrfFilter 负责防跨站请求伪造）。你可以通过配置（如 .csrf().disable()）在运行时把 CsrfFilter 从链上拔掉。不同的 URL 可以走完全不同的链------/public/ 走空链，/admin/ 走挂满校验的重型链。

2.3 MyBatis 动态 SQL SqlNode

在 MyBatis 中，过滤器处理的是"SQL 片段"。当写下 <if test="title != null">AND title like #{title}</if> 时，MyBatis 将其转换成一棵 SqlNode 树。

核心架构
角色 MyBatis 对应类
过滤器接口 SqlNode（定义 apply(DynamicContext)）
具体过滤器 IfSqlNode（对应 <if>）、TextSqlNode（纯文本）
组合过滤器 MixedSqlNode（持有 List<SqlNode>）
增强过滤器 WhereSqlNode（自动修剪 AND/OR，添加 WHERE）
核心源码与执行机制
java 复制代码 
// IfSqlNode 的核心实现
public class IfSqlNode implements SqlNode {
    private final ExpressionEvaluator evaluator;
    private final String test;              // "title != null"
    private final SqlNode contents;          // "AND title like #{title}"

    @Override
    public boolean apply(DynamicContext context) {
        if (evaluator.evaluateBoolean(test, context.getBindings())) {
            contents.apply(context); // 条件满足，拼接 SQL 片段
            return true;
        }
        return false; // 条件不满足，该片段被"过滤"掉
    }
}

妙处解析------AST 级别的过滤：

MyBatis 的动态 SQL 完美展示了过滤器模式与组合模式的结合。每个 SqlNode 根据传入的参数，决定自己这块 SQL 片段是保留还是丢弃。WhereSqlNode 作为外层过滤器，不仅负责组合子节点的输出，还承担了"净化"职责------自动裁剪掉多余的 AND、OR 以及自动添加 WHERE 关键字。

三者对比总结：

维度 Tomcat Servlet Filter Spring Security FilterChain MyBatis 动态 SQL
过滤对象 HTTP 请求与响应 安全上下文与凭证 SQL 文本片段
核心机制 数组 + 下标指针遍历 多条链动态匹配 + 虚拟链驱动 树状节点的条件评估与拼接
超越传统之处 实现了双向拦截（U 型执行流） 实现了动态路由（不同 URL 不同链） 实现了结构自愈（自动修剪 AND/OR）

3. 深度追问

3.1 Why（为什么）：解决哪个根本矛盾？

过滤器模式解决的是 "无限增长的业务多维筛选需求"与"代码结构的内聚性、稳定性"之间的根本矛盾。

如果用继承拓扑会导致子类数量爆炸；如果用硬编码逻辑会导致单个方法内嵌大量 if-else，直接违反开闭原则。过滤器模式将"筛选规则"与"执行筛选的动作"彻底解耦，用运行时的对象组合 代替了编译期的类继承/硬编码逻辑。

3.2 How（怎么做）：通过哪些对象关系和交互机制？

过滤器模式同时融合了策略模式与组合模式的影子：

  1. 同质性接口 ：所有过滤器（无论是单条件过滤器还是组合过滤器）都实现同一个接口 meetCriteria(Collection<T>)。
  2. 多态组合 ：组合过滤器（如 AndCriteria）内部持有其他过滤器的引用。
  3. 管道式协作：数据集合像水流一样通过管道，前一个过滤器的输出作为下一个过滤器的输入。

3.3 Trade-off（代价）：牺牲了什么换取什么？

牺牲 换取
内存开销：每层过滤创建新的 List 极致的灵活性：动态拼装条件
CPU 周期：多次全量循环遍历 高度可维护性：消除 if-else 嵌套
类膨胀：每个条件一个类 完美复用性：规则可跨业务复用

3.4 Evolution（演化）：如何从简单设计逐步演化而来？

  1. 硬编码（Monomorphic） ：一个庞大的 search() 方法塞满 if (param != null)。
  2. 方法抽取（Refactoring）：将判断逻辑抽取为私有方法，但未解决 OCP。
  3. 经典过滤器模式 ：引入 Criteria 接口，通过 AndCriteria 组合。
  4. 责任链化：演变为不返回新集合，而是传递 Context 或拦截器链（如 Tomcat Filter）。

衍生变体：

  • 规格模式（Specification Pattern） ：在领域驱动设计中广为人知，只提供 isSatisfiedBy(T item): boolean 方法。
  • 管道与过滤器（Pipe and Filter） ：系统架构层面，将大型任务拆分为多个独立的标准处理步骤（如 Linux 的 ls | grep | awk）。

3.5 Modern Practice（现代实践）：在今天是否被取代？

结论：经典形态（手工编写大量 Criteria 类）已被新技术取代，但其核心思想在现代实践中达到了顶峰。

函数式编程（Java 8+ Stream）的颠覆：

java 复制代码 
Predicate<Person> isMale = p -> "Male".equals(p.getGender());
Predicate<Person> isAdult = p -> p.getAge() >= 18;
List<Person> result = list.stream()
    .filter(isMale.and(isAdult))
    .collect(Collectors.toList());

依赖注入（Spring IoC）与自动装配：

java 复制代码 
@Service
public class OrderValidationService {
    @Autowired
    private List<OrderFilter> orderFilters;  // Spring 自动注入所有实现

    public void validate(Order order) {
        orderFilters.forEach(filter -> filter.check(order));
    }
}

微服务架构下的演变：

  • 微服务网关（Spring Cloud Gateway / Kong） ：请求通过认证过滤器、限流过滤器、日志过滤器后路由到具体服务，将过滤器模式提升到应用架构级别。
  • 配置中心 + 规则引擎 ：过滤规则写在 Apollo/Nacos 中（如 SpEL 表达式），由动态解析器转化为 Predicate 执行，实现免部署的动态过滤。

4. 总结

核心要点

  • 过滤器模式将筛选条件封装为独立"滤芯"，通过组合实现自由拼接
  • 与策略模式的区别：策略是互斥选择 ，过滤器是叠加组合
  • 三个工业级变体：Tomcat Filter（U 型回溯拦截）、Spring Security（动态路由安全链）、MyBatis SqlNode（AST 级别 SQL 过滤）
  • 现代演进：Stream + Predicate（函数式）、Spring DI 自动装配（插件式）、网关过滤器（架构级）

一句话

过滤器模式把各种过滤条件变成一个个独立的"滤芯"，通过自由拼接来过滤数据------就像净水器一样，每层滤芯负责一种杂质。

5. 参考文献

1 FOWLER M. Patterns of Enterprise Application ArchitectureM. Boston: Addison-Wesley, 2002.

2 Apache Tomcat. Tomcat FilterChain Source CodeEB/OL. https://tomcat.apache.org/, 2024.

3 SPRING. Spring Security ArchitectureEB/OL. https://docs.spring.io/spring-security/, 2024.

4 MyBatis. MyBatis 3 Dynamic SQLEB/OL. https://mybatis.org/mybatis-3/dynamic-sql.html, 2024.

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