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設計模式之美 - 48 | 代理模式：代理在RPC、緩存、監控等場景中的應用

前面幾節，我們學習了設計模式中的創建型模式。創建型模式主要解決對象的創建問題，封裝複雜的創建過程，解耦對象的創建代碼和使用代碼。

其中，單例模式用來創建全局唯一的對象。工廠模式用來創建不同但是相關類型的對象（繼承同一父類或者接口的一組子類），由給定的參數來決定創建哪種類型的對象。建造者模式是用來創建複雜對象，可以通過設置不同的可選參數，“定製化”地創建不同的對象。原型模式針對創建成本比較大的對象，利用對已有對象進行復制的方式進行創建，以達到節省創建時間的目的。

從今天起，我們開始學習另外一種類型的設計模式：結構型模式。結構型模式主要總結了一些類或對象組合在一起的經典結構，這些經典的結構可以解決特定應用場景的問題。結構型模式包括：代理模式、橋接模式、裝飾器模式、適配器模式、門面模式、組合模式、享元模式。今天我們要講其中的代理模式。它也是在實際開發中經常被用到的一種設計模式。

話不多說，讓我們正式開始今天的學習吧！

代理模式的原理解析

**代理模式（Proxy Design Pattern）**的原理和代碼實現都不難掌握。它在不改變原始類（或叫被代理類）代碼的情況下，通過引入代理類來給原始類附加功能。我們通過一個簡單的例子來解釋一下這段話。

這個例子來自我們在第 25、26、39、40 節中講的性能計數器。當時我們開發了一個MetricsCollector 類，用來收集接口請求的原始數據，比如訪問時間、處理時長等。在業務系統中，我們採用如下方式來使用這個 MetricsCollector 類：

public class UserController {
	//...省略其他屬性和方法...
	private MetricsCollector metricsCollector; // 依賴注入
	
	public UserVo login(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		// ... 省略login邏輯...
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTi
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		//...返回UserVo數據...
	}
	
	public UserVo register(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		// ... 省略register邏輯...
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, star
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		//...返回UserVo數據...
	}
}

很明顯，上面的寫法有兩個問題。第一，性能計數器框架代碼侵入到業務代碼中，跟業務代碼高度耦合。如果未來需要替換這個框架，那替換的成本會比較大。第二，收集接口請求的代碼跟業務代碼無關，本就不應該放到一個類中。業務類最好職責更加單一，只聚焦業務處理。

爲了將框架代碼和業務代碼解耦，代理模式就派上用場了。代理類UserControllerProxy 和原始類 UserController 實現相同的接口 IUserController。UserController 類只負責業務功能。代理類 UserControllerProxy 負責在業務代碼執行前後附加其他邏輯代碼，並通過委託的方式調用原始類來執行業務代碼。具體的代碼實現如下所示：

public interface IUserController {
	UserVo login(String telephone, String password);
	UserVo register(String telephone, String password);
}

public class UserController implements IUserController {
	//...省略其他屬性和方法...
	
	@Override
	public UserVo login(String telephone, String password) {
		//...省略login邏輯...
		//...返回UserVo數據...
	}
	
	@Override
	public UserVo register(String telephone, String password) {
		//...省略register邏輯...
		//...返回UserVo數據...
	}
}

public class UserControllerProxy implements IUserController {
	private MetricsCollector metricsCollector;
	private UserController userController;
	
	public UserControllerProxy(UserController userController) {
		this.userController = userController;
		this.metricsCollector = new MetricsCollector();
	}
	
	@Override
	public UserVo login(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		// 委託
		UserVo userVo = userController.login(telephone, password);
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTi
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		return userVo;
	}
	
	@Override
	public UserVo register(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		UserVo userVo = userController.register(telephone, password);
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, star
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		return userVo;
	}
}

//UserControllerProxy使用舉例
//因爲原始類和代理類實現相同的接口，是基於接口而非實現編程
//將UserController類對象替換爲UserControllerProxy類對象，不需要改動太多代碼
IUserController userController = new UserControllerProxy(new UserController(

參照基於接口而非實現編程的設計思想，將原始類對象替換爲代理類對象的時候，爲了讓代碼改動儘量少，在剛剛的代理模式的代碼實現中，代理類和原始類需要實現相同的接口。但是，如果原始類並沒有定義接口，並且原始類代碼並不是我們開發維護的（比如它來自一個第三方的類庫），我們也沒辦法直接修改原始類，給它重新定義一個接口。在這種情況下，我們該如何實現代理模式呢？

對於這種外部類的擴展，我們一般都是採用繼承的方式。這裏也不例外。我們讓代理類繼承原始類，然後擴展附加功能。原理很簡單，不需要過多解釋，你直接看代碼就能明白。具體代碼如下所示：

public class UserControllerProxy extends UserController {
	private MetricsCollector metricsCollector;
	
	public UserControllerProxy() {
		this.metricsCollector = new MetricsCollector();
	}
	
	public UserVo login(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		UserVo userVo = super.login(telephone, password);
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("login", responseTime, startTi
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		return userVo;
	}
	
	public UserVo register(String telephone, String password) {
		long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
		
		UserVo userVo = super.register(telephone, password);
		
		long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
		long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
		RequestInfo requestInfo = new RequestInfo("register", responseTime, star
		metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
		
		return userVo;
	}
}

//UserControllerProxy使用舉例
UserController userController = new UserControllerProxy();

動態代理的原理解析

不過，剛剛的代碼實現還是有點問題。一方面，我們需要在代理類中，將原始類中的所有的方法，都重新實現一遍，並且爲每個方法都附加相似的代碼邏輯。另一方面，如果要添加的附加功能的類有不止一個，我們需要針對每個類都創建一個代理類。

如果有 50 個要添加附加功能的原始類，那我們就要創建 50 個對應的代理類。這會導致項目中類的個數成倍增加，增加了代碼維護成本。並且，每個代理類中的代碼都有點像模板式的“重複”代碼，也增加了不必要的開發成本。那這個問題怎麼解決呢？

我們可以使用動態代理來解決這個問題。所謂動態代理（Dynamic Proxy），就是我們不事先爲每個原始類編寫代理類，而是在運行的時候，動態地創建原始類對應的代理類，然後在系統中用代理類替換掉原始類。那如何實現動態代理呢？

如果你熟悉的是 Java 語言，實現動態代理就是件很簡單的事情。因爲 Java 語言本身就已經提供了動態代理的語法（實際上，動態代理底層依賴的就是 Java 的反射語法）。我們來看一下，如何用 Java 的動態代理來實現剛剛的功能。具體的代碼如下所示。其中，MetricsCollectorProxy 作爲一個動態代理類，動態地給每個需要收集接口請求信息的類創建代理類。

public class MetricsCollectorProxy {
	private MetricsCollector metricsCollector;
	
	public MetricsCollectorProxy() {
		this.metricsCollector = new MetricsCollector();
	}
	
	public Object createProxy(Object proxiedObject) {
		Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces();
		DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject);
		return Proxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(),
	}
	
	private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
		private Object proxiedObject;
		
		public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) {
			this.proxiedObject = proxiedObject;
		}
		
		@Override
		public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws
			long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
			
			Object result = method.invoke(proxiedObject, args);
			
			long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
			long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
			String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" + method.get
			RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, start
			
			metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
			return result;
		}
	}
}

//MetricsCollectorProxy使用舉例
MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy();
IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(new Use

實際上，Spring AOP 底層的實現原理就是基於動態代理。用戶配置好需要給哪些類創建代理，並定義好在執行原始類的業務代碼前後執行哪些附加功能。Spring 爲這些類創建動態代理對象，並在 JVM 中替代原始類對象。原本在代碼中執行的原始類的方法，被換作執行代理類的方法，也就實現了給原始類添加附加功能的目的。

代理模式的應用場景

代理模式的應用場景非常多，我這裏列舉一些比較常見的用法，希望你能舉一反三地應用在你的項目開發中。

1. 業務系統的非功能性需求開發

代理模式最常用的一個應用場景就是，在業務系統中開發一些非功能性需求，比如：監控、統計、鑑權、限流、事務、冪等、日誌。我們將這些附加功能與業務功能解耦，放到代理類中統一處理，讓程序員只需要關注業務方面的開發。實際上，前面舉的蒐集接口請求信息的例子，就是這個應用場景的一個典型例子。

如果你熟悉 Java 語言和 Spring 開發框架，這部分工作都是可以在 Spring AOP 切面中完成的。前面我們也提到，Spring AOP 底層的實現原理就是基於動態代理。

2. 代理模式在 RPC、緩存中的應用

實際上，RPC 框架也可以看作一種代理模式，GoF 的《設計模式》一書中把它稱作遠程代理。通過遠程代理，將網絡通信、數據編解碼等細節隱藏起來。客戶端在使用 RPC 服務的時候，就像使用本地函數一樣，無需瞭解跟服務器交互的細節。除此之外，RPC 服務的開發者也只需要開發業務邏輯，就像開發本地使用的函數一樣，不需要關注跟客戶端的交互細節。

關於遠程代理的代碼示例，我自己實現了一個簡單的 RPC 框架 Demo，放到了 GitHub中，你可以點擊這裏的鏈接查看。

我們再來看代理模式在緩存中的應用。假設我們要開發一個接口請求的緩存功能，對於某些接口請求，如果入參相同，在設定的過期時間內，直接返回緩存結果，而不用重新進行邏輯處理。比如，針對獲取用戶個人信息的需求，我們可以開發兩個接口，一個支持緩存，一個支持實時查詢。對於需要實時數據的需求，我們讓其調用實時查詢接口，對於不需要實時數據的需求，我們讓其調用支持緩存的接口。那如何來實現接口請求的緩存功能呢？

最簡單的實現方法就是剛剛我們講到的，給每個需要支持緩存的查詢需求都開發兩個不同的接口，一個支持緩存，一個支持實時查詢。但是，這樣做顯然增加了開發成本，而且會讓代碼看起來非常臃腫（接口個數成倍增加），也不方便緩存接口的集中管理（增加、刪除緩存接口）、集中配置（比如配置每個接口緩存過期時間）。

針對這些問題，代理模式就能派上用場了，確切地說，應該是動態代理。如果是基於Spring 框架來開發的話，那就可以在 AOP 切面中完成接口緩存的功能。在應用啓動的時候，我們從配置文件中加載需要支持緩存的接口，以及相應的緩存策略（比如過期時間）等。當請求到來的時候，我們在 AOP 切面中攔截請求，如果請求中帶有支持緩存的字段（比如 http://…?..&cached=true），我們便從緩存（內存緩存或者 Redis 緩存等）中獲取數據直接返回。

重點回顧

好了，今天的內容到此就講完了。我們一塊來總結回顧一下，你需要掌握的重點內容。

1. 代理模式的原理與實現

在不改變原始類（或叫被代理類）的情況下，通過引入代理類來給原始類附加功能。一般情況下，我們讓代理類和原始類實現同樣的接口。但是，如果原始類並沒有定義接口，並且原始類代碼並不是我們開發維護的。在這種情況下，我們可以通過讓代理類繼承原始類的方法來實現代理模式。

2. 動態代理的原理與實現

靜態代理需要針對每個類都創建一個代理類，並且每個代理類中的代碼都有點像模板式的“重複”代碼，增加了維護成本和開發成本。對於靜態代理存在的問題，我們可以通過動態代理來解決。我們不事先爲每個原始類編寫代理類，而是在運行的時候動態地創建原始類對應的代理類，然後在系統中用代理類替換掉原始類。

3. 代理模式的應用場景

代理模式常用在業務系統中開發一些非功能性需求，比如：監控、統計、鑑權、限流、事務、冪等、日誌。我們將這些附加功能與業務功能解耦，放到代理類統一處理，讓程序員只需要關注業務方面的開發。除此之外，代理模式還可以用在 RPC、緩存等應用場景中。

課堂討論

除了 Java 語言之外，在你熟悉的其他語言中，如何實現動態代理呢？
我們今天講了兩種代理模式的實現方法，一種是基於組合，一種基於繼承，請對比一下兩者的優缺點。

設計模式之美 - 48 | 代理模式：代理在RPC、緩存、監控等場景中的應用

設計模式之美 - 48 | 代理模式：代理在RPC、緩存、監控等場景中的應用

代理模式的原理解析

動態代理的原理解析

代理模式的應用場景

重點回顧

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