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代理

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为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

代理模式,即Proxy,它和Adapter模式很类似。我们先回顾Adapter模式,它用于把A接口转换为B接口:

public BAdapter implements B {
    private A a;
    public BAdapter(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void b() {
        a.a();
    }
}

而Proxy模式不是把A接口转换成B接口,它还是转换成A接口:

public AProxy implements A {
    private A a;
    public AProxy(A a) {
        this.a = a;
    }
    public void a() {
        this.a.a();
    }
}

合着Proxy就是为了给A接口再包一层,这不是脱了裤子放屁吗?

当然不是。我们观察Proxy的实现A接口的方法:

public void a() {
    this.a.a();
}

这样写当然没啥卵用。但是,如果我们在调用a.a()的前后,加一些额外的代码:

public void a() {
    if (getCurrentUser().isRoot()) {
        this.a.a();
    } else {
        throw new SecurityException("Forbidden");
    }
}

这样一来,我们就实现了权限检查,只有符合要求的用户,才会真正调用目标方法,否则,会直接抛出异常。

有的童鞋会问,为啥不把权限检查的功能直接写到目标实例A的内部?

因为我们编写代码的原则有:

  • 职责清晰:一个类只负责一件事;
  • 易于测试:一次只测一个功能。

用Proxy实现这个权限检查,我们可以获得更清晰、更简洁的代码:

  • A接口:只定义接口;
  • ABusiness类:只实现A接口的业务逻辑;
  • APermissionProxy类:只实现A接口的权限检查代理。

如果我们希望编写其他类型的代理,可以继续增加类似ALogProxy,而不必对现有的A接口、ABusiness类进行修改。

实际上权限检查只是代理模式的一种应用。Proxy还广泛应用在:

远程代理

远程代理即Remote Proxy,本地的调用者持有的接口实际上是一个代理,这个代理负责把对接口的方法访问转换成远程调用,然后返回结果。Java内置的RMI机制就是一个完整的远程代理模式。

虚代理

虚代理即Virtual Proxy,它让调用者先持有一个代理对象,但真正的对象尚未创建。如果没有必要,这个真正的对象是不会被创建的,直到客户端需要真的必须调用时,才创建真正的对象。JDBC的连接池返回的JDBC连接(Connection对象)就可以是一个虚代理,即获取连接时根本没有任何实际的数据库连接,直到第一次执行JDBC查询或更新操作时,才真正创建实际的JDBC连接。

保护代理

保护代理即Protection Proxy,它用代理对象控制对原始对象的访问,常用于鉴权。

智能引用

智能引用即Smart Reference,它也是一种代理对象,如果有很多客户端对它进行访问,通过内部的计数器可以在外部调用者都不使用后自动释放它。

我们来看一下如何应用代理模式编写一个JDBC连接池(DataSource)。我们首先来编写一个虚代理,即如果调用者获取到Connection后,并没有执行任何SQL操作,那么这个Connection Proxy实际上并不会真正打开JDBC连接。调用者代码如下:

DataSource lazyDataSource = new LazyDataSource(jdbcUrl, jdbcUsername, jdbcPassword);
System.out.println("get lazy connection...");
try (Connection conn1 = lazyDataSource.getConnection()) {
    // 并没有实际打开真正的Connection
}
System.out.println("get lazy connection...");
try (Connection conn2 = lazyDataSource.getConnection()) {
    try (PreparedStatement ps = conn2.prepareStatement("SELECT * FROM students")) { // 打开了真正的Connection
        try (ResultSet rs = ps.executeQuery()) {
            while (rs.next()) {
                System.out.println(rs.getString("name"));
            }
        }
    }
}

现在我们来思考如何实现这个LazyConnectionProxy。为了简化代码,我们首先针对Connection接口做一个抽象的代理类:

public abstract class AbstractConnectionProxy implements Connection {

    // 抽象方法获取实际的Connection:
    protected abstract Connection getRealConnection();

    // 实现Connection接口的每一个方法:
    public Statement createStatement() throws SQLException {
        return getRealConnection().createStatement();
    }

    public PreparedStatement prepareStatement(String sql) throws SQLException {
        return getRealConnection().prepareStatement(sql);
    }

    ...其他代理方法...
}

这个AbstractConnectionProxy代理类的作用是把Connection接口定义的方法全部实现一遍,因为Connection接口定义的方法太多了,后面我们要编写的LazyConnectionProxy只需要继承AbstractConnectionProxy,就不必再把Connection接口方法挨个实现一遍。

LazyConnectionProxy实现如下:

public class LazyConnectionProxy extends AbstractConnectionProxy {
    private Supplier<Connection> supplier;
    private Connection target = null;

    public LazyConnectionProxy(Supplier<Connection> supplier) {
        this.supplier = supplier;
    }

    // 覆写close方法:只有target不为null时才需要关闭:
    public void close() throws SQLException {
        if (target != null) {
            System.out.println("Close connection: " + target);
            super.close();
        }
    }

    @Override
    protected Connection getRealConnection() {
        if (target == null) {
            target = supplier.get();
        }
        return target;
    }
}

如果调用者没有执行任何SQL语句,那么target字段始终为null。只有第一次执行SQL语句时(即调用任何类似prepareStatement()方法时,触发getRealConnection()调用),才会真正打开实际的JDBC Connection。

最后,我们还需要编写一个LazyDataSource来支持这个LazyConnecitonProxy

public class LazyDataSource implements DataSource {
    private String url;
    private String username;
    private String password;

    public LazyDataSource(String url, String username, String password) {
        this.url = url;
        this.username = username;
        this.password = password;
    }

    public Connection getConnection(String username, String password) throws SQLException {
        return new LazyConnectionProxy(() -> {
            try {
                Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, password);
                System.out.println("Open connection: " + conn);
                return conn;
            } catch (SQLException e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        });
    }
    ...
}

我们执行代码,输出如下:

get lazy connection...
get lazy connection...
Open connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@7a36aefa
小明
小红
小军
小白
...
Close connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@7a36aefa

可见第一个getConnection()调用获取到的LazyConnectionProxy并没有实际打开真正的JDBC Connection。

使用连接池的时候,我们更希望能重复使用连接。如果调用方编写这样的代码:

DataSource pooledDataSource = new PooledDataSource(jdbcUrl, jdbcUsername, jdbcPassword);
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
}
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
    // 获取到的是同一个Connection
}
try (Connection conn = pooledDataSource.getConnection()) {
    // 获取到的是同一个Connection
}

调用方并不关心是否复用了Connection,但从PooledDataSource获取的Connection确实自带这个优化功能。如何实现可复用Connection的连接池?答案仍然是使用代理模式。

public class PooledConnectionProxy extends AbstractConnectionProxy {
    // 实际的Connection:
    Connection target;
    // 空闲队列:
    Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue;

    public PooledConnectionProxy(Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue, Connection target) {
        this.idleQueue = idleQueue;
        this.target = target;
    }

    public void close() throws SQLException {
        System.out.println("Fake close and released to idle queue for future reuse: " + target);
        // 并没有调用实际Connection的close()方法,
        // 而是把自己放入空闲队列:
        idleQueue.offer(this);
    }

    protected Connection getRealConnection() {
        return target;
    }
}

复用连接的关键在于覆写close()方法,它并没有真正关闭底层JDBC连接,而是把自己放回一个空闲队列,以便下次使用。

空闲队列由PooledDataSource负责维护:

public class PooledDataSource implements DataSource {
    private String url;
    private String username;
    private String password;

    // 维护一个空闲队列:
    private Queue<PooledConnectionProxy> idleQueue = new ArrayBlockingQueue<>(100);

    public PooledDataSource(String url, String username, String password) {
        this.url = url;
        this.username = username;
        this.password = password;
    }

    public Connection getConnection(String username, String password) throws SQLException {
        // 首先试图获取一个空闲连接:
        PooledConnectionProxy conn = idleQueue.poll();
        if (conn == null) {
            // 没有空闲连接时,打开一个新连接:
            conn = openNewConnection();
        } else {
            System.out.println("Return pooled connection: " + conn.target);
        }
        return conn;
    }

    private PooledConnectionProxy openNewConnection() throws SQLException {
        Connection conn = DriverManager.getConnection(url, username, password);
        System.out.println("Open new connection: " + conn);
        return new PooledConnectionProxy(idleQueue, conn);
    }
    ...
}

我们执行调用方代码,输出如下:

Open new connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Return pooled connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Return pooled connection: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa
Fake close and released to idle queue for future reuse: com.mysql.jdbc.JDBC4Connection@61ca2dfa

除了第一次打开了一个真正的JDBC Connection,后续获取的Connection实际上是同一个JDBC Connection。但是,对于调用方来说,完全不需要知道底层做了哪些优化。

我们实际使用的DataSource,例如HikariCP,都是基于代理模式实现的,原理同上,但增加了更多的如动态伸缩的功能(一个连接空闲一段时间后自动关闭)。

有的童鞋会发现Proxy模式和Decorator模式有些类似。确实,这两者看起来很像,但区别在于:Decorator模式让调用者自己创建核心类,然后组合各种功能,而Proxy模式决不能让调用者自己创建再组合,否则就失去了代理的功能。Proxy模式让调用者认为获取到的是核心类接口,但实际上是代理类。

练习

使用代理模式编写一个JDBC连接池

小结

代理模式通过封装一个已有接口,并向调用方返回相同的接口类型,能让调用方在不改变任何代码的前提下增强某些功能(例如,鉴权、延迟加载、连接池复用等)。

使用Proxy模式要求调用方持有接口,作为Proxy的类也必须实现相同的接口类型。


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