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设计模式3——结构型模式

时间：2023-03-02 17:57:20浏览次数：41  
标签：String 对象 代理 模式 接口 msg 设计模式 public 结构型

结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构，它分为类结构型和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者采用组合或聚合来组合对象。

由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象结构型模式比类结构型模式具有更大的灵活性。

结构型模式分为以下7种：

  • 代理模式；
  • 适配器模式；
  • 装饰者模式；
  • 桥接模式；
  • 外观模式；
  • 组合模式；
  • 享元模式。

1、代理模式

1.1、概述

由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时，访问对象不适合或者不能直接引用目标对象，代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

Java中的代理按照代理类生成时机不同又分为静态代理和动态代理。静态代理代理类在编译期就生成，而动态代理代理类则是在Java运行时动态生成。动态代理又有JDK代理和CGLib代理两种。

1.2、结构

代理（Proxy）模式分为三种角色：

  • 抽象主题（Subject）类：通过接口或抽象类声明真实主题和代理对象实现的业务方法。
  • 真实主题（Real Subject）类：实现了抽象主题中的具体业务，是代理对象所代表的真实对象，是最终要引用的对象。
  • 代理（Proxy）类：提供了与真实主题相同的接口，其内部含有对真实主题的引用，它可以访问、控制或扩展真实主题的功能。

1.3、静态代理

我们通过案例来感受一下静态代理。

【例】火车站卖票

如果要买火车站的票，需要去火车站买票，坐车到火车站，排队等一系列的操作，显然比较麻烦。而火车票在多个地方都有代售点，我们就进去代售点卖票就方便多了。这个例子其实就是典型的代理模式，火车站是目标对象，代售点是代理对象。

// 抽象主题类：卖火车票的接口
interface SellTickets {
    void sell();
}

// 具体主题类：火车站类
class TrainStation implements SellTickets {
    @Override
    public void sell() {
        System.out.println("火车站卖票");
    }
}

// 代理类：代售点类
class ProxyPoint implements SellTickets {
    // 声明火车站类对象
    private TrainStation trainStation = new TrainStation();

    @Override
    public void sell() {
        System.out.println("代理点收取一些服务费用");
        trainStation.sell();
    }
}

public class Client2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建代售点类对象
        ProxyPoint proxyPoint = new ProxyPoint();
        // 调用方法进行买票
        proxyPoint.sell();
    }
}

结果：
代理点收取一些服务费用
火车站卖票

从上面代买中可以看出测试类直接访问的是ProxyPoint类对象，也就是说ProxyPoint作为访问对象和目标对象的中介。同时也对sell()方法进行了增强（代理点收取一些服务费用）。

1.4、JDK动态代理

接下来我们使用动态代理实现上面的案例，先说说JDK提供的动态代理。Java中提供了一个动态代理类Proxy，Proxy并不是我们上述所说的代理对象的类，而是提供了一个创建代理对象的静态方法（newProxyInstance方法）来获取代理对象。

代码如下：

// 抽象主题类：卖火车票的接口
interface SellTickets {
    void sell();
}

// 具体主题类：火车站类
class TrainStation implements SellTickets {
    @Override
    public void sell() {
        System.out.println("火车站卖票");
    }
}

// 获取代理对象的工厂类，代理类也实现了对应的接口
class ProxyFactory {
    // 声明目标对象
    private TrainStation trainStation = new TrainStation();

    // 获取代理对象的方法
    public SellTickets getProxyObject() {
        // 返回代理对象即可
        /*
          ClassLoader loader : 类加载器，用于加载代理类。可以通过目标对象获取类加载器
          Class<?>[] interfaces ： 代理类实现的接口的字节码对象
          InvocationHandler h ： 代理对象的调用处理程序
         */
        SellTickets proxyObject = (SellTickets) Proxy.newProxyInstance(
                trainStation.getClass().getClassLoader(),
                trainStation.getClass().getInterfaces(),
                new InvocationHandler() {
                    /*
                        Object proxy : 代理对象，和proxyObject对象是同一个对象，在invoke方法中基本不用
                        Method method ： 对接口中的方法进行封装的Method对象
                        Object[] args : 调用方法的实际参数

                        返回值 ： 方法的返回值。如果接口方法没有返回值，那么返回null；如果有返回值，则返回具体的值
                     */
                    @Override
                    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                        System.out.println("代售点收取一定的服务费用（jdk动态代理）");
                        Object obj = method.invoke(trainStation, args);
                        return obj;
                    }
                }
        );
        return proxyObject;
    }
}

public class Client2 {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取代理对象
        // 1、创建代理工厂对象
        ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
        // 2、使用factory对象的方法获取代理对象
        SellTickets proxyObject = proxyFactory.getProxyObject();
        // 3、调用卖电脑的方法
        proxyObject.sell();
    }
}

结果：
代售点收取一定的服务费用（jdk动态代理）
火车站卖票

使用了动态代理，我们思考下面的问题：

ProxyFactory是代理类吗？- ProxyFactory不是代理模式中所说的代理类，而代理类是程序在运行过程中动态地在内存中生成的类。通过阿里巴巴开源的Java诊断工具（Arthas【阿尔萨斯】）查看代理类的结构（已简化）：

public final class $Proxy0 extends Proxy implements SellTickets {
    private static Method m3;
    
    public $Proxy0(InvocationHandler invocationHandler) {
        super(invocationHandler);
    }
    
    static {
        m3 = Class.forName("com.design_pattern.proxy.SellTickets").getMethod("sell", new Class[0]);
    }
    
    public final void sell() {
        this.h.invoke(this, m3, null);
    }
}

public class Proxy {
    protected InvocationHandler invocationHandler;
}

从上面的类中，我们可以看到以下几个信息：

  • 代理类（$Proxy0）实现了SellTickets，也就印证了我们之前说的真实类和代理类实现同样的接口。
  • 代理类（$Proxy0）将我们提供的匿名内部类对象传递给了父类。

动态代理的执行流程是什么样的？

  • 在测试类中通过代理对象调用sell()方法；
  • 根据多态的特性，执行的是代理类($Proxy0)中的sell()方法；
  • 代理类（$Proxy0）中的sell()方法中又调用了InvocationHandler接口的子实现类对象的invoke方法；
  • invoke方法通过反射执行了真实对象所属类（TrainStation）中的sell()方法。

1.5、CGLIB动态代理

同样是上面的案例，我们再次使用CGLIB代理实现。

如果没有定义SellTickets接口，只定义了TrainStation（火车站类），很显然JDK代理是无法使用了，因为JDK动态代理要求必须定义接口，对接口进行代理。

CGLIB是一个功能强大，高性能的代码生成包。它为没有实现接口的类提供代理，为JDK的动态代理提供了很好的补充。

CGLIB是第三方提供的包，所以需要引入jar包的坐标：

<dependency>
    <groupId>cglib</groupId>
    <artifactId>cglib</artifactId>
    <version>2.2.2</version>
</dependency>

代码如下：

class TrainStation {
    public void sell() {
        System.out.println("火车站卖票");
    }
}

// 代理对象工厂
class ProxyFactory {
    public TrainStation getProxyObject(TrainStation station) {
        // 创建Enhancer对象，类似于JDK代理中的Proxy类
        Enhancer enhancer = new Enhancer();
        // 设置父类的字节码对象，指定代理类的父类
        enhancer.setSuperclass(TrainStation.class);
        // 设置回调函数
        enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
            /**
             *
             * @param o 代理对象
             * @param method 调用的方法
             * @param objects 方法参数
             * @param methodProxy
             * @return
             * @throws Throwable
             */
            @Override
            public Object intercept(Object o, Method method, Object[] objects, MethodProxy methodProxy) throws Throwable {
                System.out.println("代售点收取一定的费用（cglib代理）");
                // 要调用目标对象的方法
                Object obj = method.invoke(station, objects);
                return obj;
            }
        });
        // 创建代理对象
        TrainStation proxyObject = (TrainStation) enhancer.create();
        return proxyObject;
    }
}

public class Client3 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建代理工厂对象
        ProxyFactory proxyFactory = new ProxyFactory();
        // 获取代理对象
        TrainStation proxyObject = proxyFactory.getProxyObject(new TrainStation());
        // 调佣代理对象中的sell()方法
        proxyObject.sell();
    }
}

结果：
代售点收取一定的费用（cglib代理）
火车站卖票

1.6、三种代理的对比

1.6.1、jdk代理和cglib代理

使用cglib实现动态代理，cglib底层采用ASM字节码生成框架，使用字节码生成框架技术生成代理类，在JDK1.6之前比使用Java反射效率要高。唯一需要注意的是，cglib不能对声明为final的类或者方法进行代理，因为cglib原理是动态生成被代理类的子类。

在JDK1.6、JDK1.7、JDK1.8逐步对JDK动态代理优化之后，在调用次数较少的情况下，JDK代理效率高于cglib代理效率，只有当进行大量调用的时候，JDK1.6和JDK1.7比cglib代理效率低一些，但是到JDK1.8的时候，JDK代理效率高于cglib代理，所以如果有接口使用JDK动态代理，如果没有接口使用cglib代理。

1.6.2、动态代理和静态代理

动态代理与静态代理相比较，最大的好处是接口中声明的所有方法都被转移到调用处理器一个集中的方法中处理（InvocationHandler.invoke()），这样，在接口方法数量比较多的时候，我们可以进行灵活处理，而不需要像静态代理那样每一个方法进行中转。

如果接口增加一个方法，静态代理模式除了所有实现类需要实现这个方法外，所有代理类也需要实现此方法，增加了代码维护的复杂度，而动态代理不会出现该问题。

1.7、优缺点

优点：

  • 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用；
  • 代理对象可以扩展目标对象的功能；
  • 代理模式能将客户端与目标对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度。

缺点：

  • 增加了系统的复杂度。

1.8、使用场景

1.8.1、远程（Remote）代理

本地服务器通过网络请求远程服务，为了实现本地到远程的通信，我们需要实现网络通信，处理其中可能的异常。为良好的代码设计和可维护性，我们将网络通信部分隐藏起来，只暴露给本地服务一个接口，通过该接口即可访问远程服务提供的功能，而不必过多关心通信部分的细节。

1.8.2、防火墙（Firewall）代理

当你将浏览器配置成使用代理功能时，防火墙就将你的浏览器的请求转给互联网；当互联网返回响应时，代理服务器再把它转给你的浏览器。

1.8.3、保护（Protect or Access）代理

控制一个对象的访问，如果需要，可以给不同的用户提供不同级别的使用权限。

2、适配器模式

2.1、概述

定义：将一个类的接口转换成客户端希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的哪些类能一起工作。

适配器模式分为类适配器模式和对象适配器模式，前者类之间的耦合度比较高，且要求程序员了解现有组件库中的相关组件的内部结构，所以应用相对较少些。

2.2、结构

适配器模式（Adapter）包含以下主要角色：

  • 目标（Target）接口：当前系统业务所期待的接口，它可以是抽象类或接口。
  • 适配者（Adaptee）类：它是被访问和适配的现存组件接口。
  • 适配器类（Adapter）类：它是一个转换器，通过继承或引用适配者的对象，把适配者接口转换成目标接口，让客户按目标接口的格式访问适配者。

2.3、类适配器模式

实现方式：定义一个适配器类来实现当前系统的业务接口，同时又继承现有组件库中已经存在的组件。

【例】读卡器。

现有一台电脑只能读取SD卡，而要读取TF卡中的内容的话就需要使用到适配器模式。创建一个读卡器，将TF卡中的内容读取出来。类图如下

代码如下：

// 适配者类的接口
interface TFCard {
    // 从TF卡中读取数据
    String readTF();

    // 往TF卡中写数据
    void writeTF(String msg);
}

// 适配者类实现
class TFCardImpl implements TFCard {
    @Override
    public String readTF() {
        String msg = "TFCard read msg : hello world TFCard";
        return msg;
    }

    @Override
    public void writeTF(String msg) {
        System.out.println("TFCard write msg : " + msg);
    }
}

// 目标接口
interface SDCard {
    // 从SD卡中读取数据
    String readSD();
    // 往SD卡中写数据
    void writeSD(String msg);
}

// 具体SDCard实现
class SDCardImpl implements SDCard {
    @Override
    public String readSD() {
        String msg = "SDCard read msg : hello world SDCard";
        return msg;
    }

    @Override
    public void writeSD(String msg) {
        System.out.println("SDCard write msg : " + msg);
    }
}

// 适配器类
class SDAdapterTF extends TFCardImpl implements SDCard {
    @Override
    public String readSD() {
        System.out.println("adapter read tf card");
        return readTF();
    }

    @Override
    public void writeSD(String msg) {
        System.out.println("adapter write tf card");
        writeTF(msg);
    }
}

// 计算机类
class Computer {
    // 从SD卡中读取数据
    public String readSD(SDCard sdCard) {
        if (sdCard == null) throw new NullPointerException("sd card can not be null");
        return sdCard.readSD();
    }
}

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建计算机对象
        Computer computer = new Computer();
        // 读取SD卡中的数据
        String msg1 = computer.readSD(new SDCardImpl());
        System.out.println(msg1);
        System.out.println("-------------------------------------");

        // 使用该电脑读取TF卡中的数据
        String msg2 = computer.readSD(new SDAdapterTF());
        System.out.println(msg2);
    }
}

结果：
SDCard read msg : hello world SDCard
-------------------------------------
adapter read tf card
TFCard read msg : hello world TFCard

类适配器模式违背了合成复用原则，类适配器是客户端类有一个接口规范的情况下可用，反之不可用。

2.4、对象适配器模式

实现方式：对象适配器模式可采用将现有组件库中已经实现的组件引入适配器类中，该类同时实现当前系统的业务接口。

我们使用对象适配器模式将读卡器的案例进行改写。类图如下：

代码如下：

// 适配者类的接口
interface TFCard {
    // 从TF卡中读取数据
    String readTF();

    // 往TF卡中写数据
    void writeTF(String msg);
}

// 适配者类实现
class TFCardImpl implements TFCard {
    @Override
    public String readTF() {
        String msg = "TFCard read msg : hello world TFCard";
        return msg;
    }

    @Override
    public void writeTF(String msg) {
        System.out.println("TFCard write msg : " + msg);
    }
}

// 目标接口
interface SDCard {
    // 从SD卡中读取数据
    String readSD();
    // 往SD卡中写数据
    void writeSD(String msg);
}

// 具体SDCard实现
class SDCardImpl implements SDCard {
    @Override
    public String readSD() {
        String msg = "SDCard read msg : hello world SDCard";
        return msg;
    }

    @Override
    public void writeSD(String msg) {
        System.out.println("SDCard write msg : " + msg);
    }
}

// 适配器类
class SDAdapterTF implements SDCard {
    private TFCard tfCard;

    public SDAdapterTF(TFCard tfCard) {
        this.tfCard = tfCard;
    }

    @Override
    public String readSD() {
        System.out.println("adapter read tf card");
        return tfCard.readTF();
    }

    @Override
    public void writeSD(String msg) {
        System.out.println("adapter write tf card");
        tfCard.writeTF(msg);
    }
}

// 计算机类
class Computer {
    // 从SD卡中读取数据
    public String readSD(SDCard sdCard) {
        if (sdCard == null) throw new NullPointerException("sd card can not be null");
        return sdCard.readSD();
    }
}

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建计算机对象
        Computer computer = new Computer();
        // 读取SD卡中的数据
        String msg1 = computer.readSD(new SDCardImpl());
        System.out.println(msg1);
        System.out.println("-------------------------------------");

        // 使用该电脑读取TF卡中的数据
        String msg2 = computer.readSD(new SDAdapterTF(new TFCardImpl()));
        System.out.println(msg2);
    }
}

结果：
SDCard read msg : hello world SDCard
-------------------------------------
adapter read tf card
TFCard read msg : hello world TFCard

注意：还有一个适配器模式是接口适配器模式。当不希望实现一个接口中所有的方法时，可以创建一个抽象类Adapter，实现所有方法，而此时我们只需要继承该抽象类即可。

2.5、应用场景

以前开发的系统存在满足新功能需求的类，但其接口同新系统的接口不一致。

使用第三方提供的组件，但组件接口定义和自己要求的接口定义不同。

2.6、JDK源码解析

Reader（字符流）、InputStream（字节流）的适配使用的就是InputStreamReader和OutputStreamWriter。

 

 

 

 

 

 

68

标签：String,对象,代理,模式,接口,msg,设计模式,public,结构型
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