设计模式学习之——代理模式

代理模式（Proxy Pattern）是程序设计中的一种结构型设计模式，它通过提供一个代理对象来控制对另一个对象的访问。

一、定义与特点

代理模式的定义是：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。在某些情况下，一个对象不适合或者不能直接引用另一个对象，而代理对象可以在客户端和目标对象之间起到中介的作用。

代理模式的主要特点包括：

• 中介作用：代理对象在客户端和目标对象之间起到中介的作用，可以控制对目标对象的访问。
• 保护目标对象：通过代理对象，可以对目标对象进行保护，避免直接暴露给客户端。
• 高扩展性：代理模式可以在不修改目标对象的情况下，通过代理对象增加额外的功能。

二、代理模式的种类

按职责来划分，代理模式通常有以下几种使用场景：

• 远程代理（Remote Proxy）：为一个位于不同的地址空间的对象提供一个本地的代理对象。这个不同的地址空间可以是在同一台主机中，也可以是另一台主机中。远程代理也称为大使（Ambassador）。
• 延迟初始化/虚拟代理（Virtual Proxy）：用于创建一个开销很大的对象时，无需在程序启动时就创建该对象，而是将对象的初始化延迟到真正有需要的时候。
• 访问控制/保护代理（Protect Proxy）：控制对一个对象的访问，可以根据客户端凭据给不同的用户提供不同级别的使用权限。
• 缓冲代理（Cache Proxy）：为某一个目标操作的结果提供临时的存储空间，以便多个客户端可以共享这些结果。
• 防火墙（Firewall）代理：用于网络安全，控制对内部网络的访问。
• 同步化（Synchronization）代理：使多个用户能够同时访问一个对象而不会产生冲突。
• 智能引用代理（Smart Reference Proxy）：可以在没有客户端使用某个重量级对象时立即销毁该对象，并记录客户端是否修改了服务对象，以便其他客户端复用未修改的对象。

三、代理模式的结构

代理模式的结构比较简单，主要是通过定义一个继承抽象主题的代理来包含真实主题，从而实现对真实主题的访问。代理模式的结构通常包括以下几个角色：

• 抽象主题（Subject）角色：声明了真实主题和代理的共同接口，这样可以在任何使用真实主题的地方使用代理。
• 真实主题（RealSubject）角色：实现了抽象主题接口，定义了真实主题所要实现的业务逻辑，供代理角色调用。
• 代理（Proxy）角色：实现了抽象主题接口，是真实主题的代理，通过真实主题的业务逻辑方法来实现抽象方法，并可以附加自己的操作。

四、代理模式的优缺点

优点：

• 控制访问：通过代理对象，可以控制对目标对象的访问，实现权限控制等。
• 增加功能：代理对象可以在不修改目标对象的情况下，增加额外的功能，如安全性检查、日志记录等。
• 保护目标对象：代理对象可以对目标对象进行保护，避免直接暴露给客户端，降低系统的耦合度。

缺点：

• 请求处理速度变慢：由于客户端和目标对象之间增加了一个代理对象，可能会导致请求处理速度变慢。
• 增加了系统的复杂度：引入代理模式可能会使系统设计更复杂，需要维护额外的代理类。

五、示例代码

以下是一个简单的虚拟代理示例代码，用于展示如何通过代理模式来延迟加载资源：

我们将模拟一个图像加载的场景，其中ProxyImage类将作为RealImage类的代理，以延迟图像的加载直到它真正被需要显示时。

// 抽象接口
interface Image {
    void display();
}

// 真实图像类
class RealImage implements Image {
    private String filename;

    public RealImage(String filename) {
        this.filename = filename;
        loadFromDisk(filename);
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("Displaying " + filename);
    }

    // 模拟从磁盘加载图像的过程
    private void loadFromDisk(String filename) {
        System.out.println("Loading " + filename);
        try {
            // 模拟耗时操作，例如从磁盘加载大图像文件
            Thread.sleep(2000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

// 代理类
class ProxyImage implements Image {
    private RealImage realImage;
    private String filename;

    public ProxyImage(String filename) {
        this.filename = filename;
    }

    @Override
    public void display() {
        if (realImage == null) {
            realImage = new RealImage(filename); // 延迟加载
        }
        realImage.display();
    }
}

// 客户端代码
public class ProxyPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Image image = new ProxyImage("test_10mb.jpg"); // 图像不会在此时加载
        System.out.println("Image will be displayed now:");
        image.display(); // 图像在需要时才被加载和显示
    }
}

在这个示例中：

• Image接口声明了一个display方法，这是所有图像对象（无论是真实的还是代理的）都应该实现的方法。
• RealImage类实现了Image接口，并在构造函数中模拟了从磁盘加载图像的过程（通过Thread.sleep方法模拟耗时操作）。
• ProxyImage类也实现了Image接口，但它并不直接加载图像。相反，它在display方法中检查realImage是否为null，如果是，则创建一个新的RealImage实例（这是延迟加载的部分）。
• 在ProxyPatternDemo类的main方法中，我们创建了一个ProxyImage对象，并调用了它的display方法。由于这是第一次调用display方法，因此RealImage对象会被创建并加载图像。

运行这个程序时，你会看到首先打印出“Loading test_10mb.jpg”（模拟加载过程），然后等待两秒钟（模拟耗时），最后打印出“Displaying test_10mb.jpg”。这证明了代理模式成功地延迟了图像的加载，直到它真正被需要显示时。

六、代理模式在spring框架中的应用

代理模式在Spring框架中有广泛的应用，主要体现在以下几个方面：

1. AOP（面向切面编程）

• 实现机制：Spring AOP是基于代理模式实现的。当为一个目标对象应用切面时，Spring会创建一个代理对象，这个代理对象会在目标方法执行前后插入额外的逻辑（如事务管理、日志记录、安全检查等）。
• 示例：当一个方法被标注为@Transactional时，Spring会在运行时创建一个代理对象，在这个方法执行前开启事务，方法执行后提交或回滚事务。

2. 事务管理

• 应用场景：事务管理利用代理模式，在方法执行前后添加事务的开启、提交或回滚等操作。
• 实现方式：Spring通过代理对象来控制对目标方法的访问，并在适当的时候执行事务相关的操作。

3. RestTemplate远程服务调用

• 代理作用：在进行远程服务调用时，Spring可能会使用代理模式来隐藏网络通信的复杂性。
• 优势：使用代理模式后，开发者可以像调用本地方法一样调用远程服务，而实际的网络请求是通过代理对象来处理的，从而简化了开发过程。

4. 延迟加载

• 应用场景：在处理一些大对象或者耗时的对象加载时，Spring可以使用代理模式实现延迟加载。
• 实现方式：通过代理对象来控制对象的加载过程，当对象真正需要时才进行加载，从而提高了系统的性能和响应速度。

5. 动态代理实现方式

• JDK动态代理：在目标对象实现的接口上创建代理对象。JDK动态代理使用了Java的反射机制，在运行时动态创建的代理类来实现对目标类的方法进行增强。
• CGLIB动态代理：使用字节码技术，通过继承的方式创建目标对象的子类，并在子类中重写目标方法进行增强。需要注意的是，CGLIB动态代理不能代理final修饰的类和方法。

6. 保护代理和缓存代理

• 保护代理：控制对目标对象的访问权限，确保只有满足特定条件的客户端才能访问目标对象。
• 缓存代理：通过代理对象在一定时间内缓存目标对象的结果，从而提升系统性能。

代理模式在Spring框架中发挥了重要作用，使得框架更加灵活、可扩展，同时也提高了系统的性能和可维护性。通过代理模式，Spring能够在不修改目标对象代码的情况下，为目标对象提供额外的功能或控制访问，从而满足了各种复杂的应用场景需求。

七、代理模式与装饰者模式的区别与联系

代理模式和装饰者模式都是结构型设计模式，在软件设计中扮演着重要的角色。它们之间既存在区别，也有联系。以下是对它们的详细比较：

区别

• 目的不同：
  • 代理模式的主要目的是控制对某个对象的访问。它通常用于在访问真实对象之前或之后执行一些额外的操作，如权限检查、懒加载、日志记录等。代理对象代表真实对象，并在其前面处理某些操作。
  • 装饰者模式的主要目的是动态地为一个对象添加额外的功能，而不影响其他对象。它通过在不修改原始对象的情况下，通过组合的方式将功能封装在装饰类中，从而增强对象的行为。
• 行为差异：
  • 在代理模式中，代理对象和真实对象通常具有相同的行为接口，但代理对象可能会限制、增强或者修改对真实对象的访问方式。代理对象的操作往往围绕着真实对象的访问条件，如权限验证、网络通信处理、懒加载等。
  • 装饰者对象则是在被装饰对象的行为基础上添加新的行为。装饰者会改变被装饰对象方法的执行结果，通过组合多个装饰者可以层层叠加功能。装饰者模式侧重于在运行时动态地扩展对象的功能，以满足不同的业务需求。
• 返回结果：
  • 代理模式中的代理对象的方法返回值通常和真实对象的方法返回值是完全一致的，只是在访问过程中添加了额外的控制逻辑。
  • 装饰者模式中的装饰者对象会改变被装饰对象方法的执行结果，装饰者添加的功能会影响最终的结果。

联系

• 结构相似：
  • 代理模式和装饰者模式在结构上具有一定的相似性。它们都涉及到代理类或装饰类，这些类都实现了与被代理或被装饰对象相同的接口。此外，它们都可以通过组合的方式来使用，即代理类或装饰类持有一个对被代理或被装饰对象的引用。
• 代码实现上的相似性：
  • 在代码实现上，代理模式和装饰者模式都使用了接口和动态多态性的概念。它们都允许在不修改原始类的情况下，通过添加新的类来扩展功能或控制访问。
• 应用场景的重叠：
  • 尽管代理模式和装饰者模式的目的不同，但在某些应用场景下，它们可以相互替代或结合使用。例如，在需要延迟加载或控制访问权限的场景中，可以使用代理模式；而在需要动态扩展对象功能的场景中，可以使用装饰者模式。然而，在某些复杂的应用场景中，可能需要结合使用这两种模式来满足需求。

以下是一个关于代理模式和装饰者模式的具体例子，以帮助理解它们之间的区别和联系：

代理模式例子

假设我们有一个GamePlayer接口，它定义了登录、杀怪和升级三个方法。现在，我们有一个具体的GamePlayer实现类RealGamePlayer，它实现了这三个方法。但是，我们希望在玩家登录、杀怪和升级之前或之后添加一些额外的操作，比如记录日志或进行权限检查。这时，我们可以使用代理模式。

// GamePlayer接口
public interface GamePlayer {
    void login();
    void killBoss();
    void upgrade();
}

// RealGamePlayer实现类
public class RealGamePlayer implements GamePlayer {
    private String name;

    public RealGamePlayer(String name) {
        this.name = name;
    }

    @Override
    public void login() {
        System.out.println(name + "已登陆游戏！");
    }

    @Override
    public void killBoss() {
        System.out.println(name + "正在刷怪！");
    }

    @Override
    public void upgrade() {
        System.out.println("恭喜" + name + "升级！");
    }
}

// GamePlayer代理类
public class GamePlayerProxy implements GamePlayer {
    private GamePlayer realPlayer;

    public GamePlayerProxy(GamePlayer realPlayer) {
        this.realPlayer = realPlayer;
    }

    @Override
    public void login() {
        System.out.println("代理：开始记录登录日志...");
        realPlayer.login();
        System.out.println("代理：登录日志记录完毕！");
    }

    @Override
    public void killBoss() {
        System.out.println("代理：开始记录杀怪日志...");
        realPlayer.killBoss();
        System.out.println("代理：杀怪日志记录完毕！");
    }

    @Override
    public void upgrade() {
        System.out.println("代理：开始记录升级日志...");
        realPlayer.upgrade();
        System.out.println("代理：升级日志记录完毕！");
    }
}

// 客户端代码
public class ProxyPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        GamePlayer realPlayer = new RealGamePlayer("张三");
        GamePlayer proxyPlayer = new GamePlayerProxy(realPlayer);
        proxyPlayer.login();
        proxyPlayer.killBoss();
        proxyPlayer.upgrade();
    }
}

在这个例子中，GamePlayerProxy是RealGamePlayer的代理，它在真实玩家执行操作之前和之后添加了日志记录的功能。

装饰者模式例子

现在，假设我们想要给GamePlayer添加一些额外的功能，比如增加攻击力或防御力，而不想修改RealGamePlayer类。这时，我们可以使用装饰者模式。

// 装饰者基类，实现了GamePlayer接口
public abstract class GamePlayerDecorator implements GamePlayer {
    protected GamePlayer decoratedPlayer;

    public GamePlayerDecorator(GamePlayer decoratedPlayer) {
        this.decoratedPlayer = decoratedPlayer;
    }

    @Override
    public void login() {
        decoratedPlayer.login();
    }

    @Override
    public void killBoss() {
        decoratedPlayer.killBoss();
    }

    @Override
    public void upgrade() {
        decoratedPlayer.upgrade();
    }
}

// 具体装饰者，增加攻击力的装饰者
public class AttackBoosterDecorator extends GamePlayerDecorator {
    public AttackBoosterDecorator(GamePlayer decoratedPlayer) {
        super(decoratedPlayer);
    }

    @Override
    public void killBoss() {
        System.out.println("装饰者：增加攻击力，准备杀怪！");
        super.killBoss();
        System.out.println("装饰者：攻击力增加，杀怪成功！");
    }
}

// 客户端代码
public class DecoratorPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        GamePlayer realPlayer = new RealGamePlayer("张三");
        GamePlayer decoratedPlayer = new AttackBoosterDecorator(realPlayer);
        decoratedPlayer.login();
        decoratedPlayer.killBoss();
        decoratedPlayer.upgrade();
    }
}

在这个例子中，AttackBoosterDecorator是RealGamePlayer的装饰者，它在玩家杀怪时增加了额外的攻击力。注意，装饰者模式允许我们组合多个装饰者来层层叠加功能。

综上所述，代理模式和装饰者模式在目的、行为、返回结果等方面存在明显的区别，但在结构、代码实现和应用场景上又具有一定的联系。理解这两种模式的使用场景和结构，有助于在软件设计中选择合适的设计模式来解决问题。