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设计模式之Proxy

设计模式之Proxy(代理)

理解并使用设计模式,能够培养我们良好的面向对象编程习惯,同时在实际应用中,可以如鱼得水,享受游刃有余的乐趣.

Proxy是比较有用途的一种模式,而且变种较多,应用场合覆盖从小结构到整个系统的大结构,Proxy是代理的意思,我们也许有代理服务器等概念,代理概念可以解释为:在出发点到目的地之间有一道中间层,意为代理.

设计模式中定义: 为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问.

为什么要使用Proxy?
1.授权机制 不同级别的用户对同一对象拥有不同的访问权利,如Jive论坛系统中,就使用Proxy进行授权机制控制,访问论坛有两种人:注册用户和游客(未注册用户),Jive中就通过类似ForumProxy这样的代理来控制这两种用户对论坛的访问权限.

2.某个客户端不能直接操作到某个对象,但又必须和那个对象有所互动.
举例两个具体情况:
(1)如果那个对象是一个是很大的图片,需要花费很长时间才能显示出来,那么当这个图片包含在文档中时,使用编辑器或浏览器打开这个文档,打开文档必须很迅速,不能等待大图片处理完成,这时需要做个图片Proxy来代替真正的图片.

(2)如果那个对象在Internet的某个远端服务器上,直接操作这个对象因为网络速度原因可能比较慢,那我们可以先用Proxy来代替那个对象.

总之原则是,对于开销很大的对象,只有在使用它时才创建,这个原则可以为我们节省很多宝贵的Java内存. 所以,有些人认为Java耗费资源内存,我以为这和程序编制思路也有一定的关系.

如何使用Proxy?
以Jive论坛系统为例,访问论坛系统的用户有多种类型:注册普通用户 论坛管理者 系统管理者 游客,注册普通用户才能发言;论坛管理者可以管理他被授权的论坛;系统管理者可以管理所有事务等,这些权限划分和管理是使用Proxy完成的.

Forum是Jive的核心接口,在Forum中陈列了有关论坛操作的主要行为,如论坛名称 论坛描述的获取和修改,帖子发表删除编辑等.

在ForumPermissions中定义了各种级别权限的用户:

public class ForumPermissions implements Cacheable {

/**
* Permission to read object.
*/
public static final int READ = 0;

/**
* Permission to administer the entire sytem.
*/
public static final int SYSTEM_ADMIN = 1;

/**
* Permission to administer a particular forum.
*/
public static final int FORUM_ADMIN = 2;

/**
* Permission to administer a particular user.
*/
public static final int USER_ADMIN = 3;

/**
* Permission to administer a particular group.
*/
public static final int GROUP_ADMIN = 4;

/**
* Permission to moderate threads.
*/
public static final int MODERATE_THREADS = 5;

/**
* Permission to create a new thread.
*/
public static final int CREATE_THREAD = 6;

/**
* Permission to create a new message.
*/
public static final int CREATE_MESSAGE = 7;

/**
* Permission to moderate messages.
*/
public static final int MODERATE_MESSAGES = 8;

.....

public boolean isSystemOrForumAdmin() {
  return (values[FORUM_ADMIN] || values[SYSTEM_ADMIN]);
}

.....

}

因此,Forum中各种操作权限是和ForumPermissions定义的用户级别有关系的,作为接口Forum的实现:ForumProxy正是将这种对应关系联系起来.比如,修改Forum的名称,只有论坛管理者或系统管理者可以修改,代码如下:

public class ForumProxy implements Forum {

private ForumPermissions permissions;
private Forum forum;
this.authorization = authorization;

public ForumProxy(Forum forum, Authorization authorization,
ForumPermissions permissions)
{
this.forum = forum;
this.authorization = authorization;
this.permissions = permissions;
}

.....

public void setName(String name) throws UnauthorizedException,
ForumAlreadyExistsException
{
  //只有是系统或论坛管理者才可以修改名称
  if (permissions.isSystemOrForumAdmin()) {
    forum.setName(name);
  }
  else {
    throw new UnauthorizedException();
  }
}

...

}

而DbForum才是接口Forum的真正实现,以修改论坛名称为例:

public class DbForum implements Forum, Cacheable {
...

public void setName(String name) throws ForumAlreadyExistsException {

  ....

  this.name = name;
  //这里真正将新名称保存到数据库
  saveToDb();

  ....
}


...

}

凡是涉及到对论坛名称修改这一事件,其他程序都首先得和ForumProxy打交道,由ForumProxy决定是否有权限做某一样事情,ForumProxy是个名副其实的"网关","安全代理系统".

在平时应用中,无可避免总要涉及到系统的授权或安全体系,不管你有无意识的使用Proxy,实际你已经在使用Proxy了.

我们继续结合Jive谈入深一点,下面要涉及到工厂模式了,如果你不了解工厂模式,请看我的另外一篇文章:设计模式之Factory

我们已经知道,使用Forum需要通过ForumProxy,Jive中创建一个Forum是使用Factory模式,有一个总的抽象类ForumFactory,在这个抽象类中,调用ForumFactory是通过getInstance()方法实现,这里使用了Singleton(也是设计模式之一,由于介绍文章很多,我就不写了,看这里),getInstance()返回的是ForumFactoryProxy.

为什么不返回ForumFactory,而返回ForumFactory的实现ForumFactoryProxy?
原因是明显的,需要通过代理确定是否有权限创建forum.

在ForumFactoryProxy中我们看到代码如下:

public class ForumFactoryProxy extends ForumFactory {

  protected ForumFactory factory;
  protected Authorization authorization;
  protected ForumPermissions permissions;

  public ForumFactoryProxy(Authorization authorization, ForumFactory factory,
  ForumPermissions permissions)
  {
    this.factory = factory;
    this.authorization = authorization;
    this.permissions = permissions;
  }

  public Forum createForum(String name, String description)
      throws UnauthorizedException, ForumAlreadyExistsException
  {
    //只有系统管理者才可以创建forum
    if (permissions.get(ForumPermissions.SYSTEM_ADMIN)) {
      Forum newForum = factory.createForum(name, description);
      return new ForumProxy(newForum, authorization, permissions);
    }
    else {
      throw new UnauthorizedException();
  }
}

方法createForum返回的也是ForumProxy, Proxy就象一道墙,其他程序只能和Proxy交互操作.

注意到这里有两个Proxy:ForumProxy和ForumFactoryProxy. 代表两个不同的职责:使用Forum和创建Forum;
至于为什么将使用对象和创建对象分开,这也是为什么使用Factory模式的原因所在:是为了"封装" "分派";换句话说,尽可能功能单一化,方便维护修改.

Jive论坛系统中其他如帖子的创建和使用,都是按照Forum这个思路而来的.

以上我们讨论了如何使用Proxy进行授权机制的访问,Proxy还可以对用户隐藏另外一种称为copy-on-write的优化方式.拷贝一个庞大而复杂的对象是一个开销很大的操作,如果拷贝过程中,没有对原来的对象有所修改,那么这样的拷贝开销就没有必要.用代理延迟这一拷贝过程.

比如:我们有一个很大的Collection,具体如hashtable,有很多客户端会并发同时访问它.其中一个特别的客户端要进行连续的数据获取,此时要求其他客户端不能再向hashtable中增加或删除 东东.

最直接的解决方案是:使用collection的lock,让这特别的客户端获得这个lock,进行连续的数据获取,然后再释放lock.
public void foFetches(Hashtable ht){
  synchronized(ht){
    //具体的连续数据获取动作..
  }

}

但是这一办法可能锁住Collection会很长时间,这段时间,其他客户端就不能访问该Collection了.

第二个解决方案是clone这个Collection,然后让连续的数据获取针对clone出来的那个Collection操作.这个方案前提是,这个Collection是可clone的,而且必须有提供深度clone的方法.Hashtable就提供了对自己的clone方法,但不是Key和value对象的clone,关于Clone含义可以参考专门文章.
public void foFetches(Hashtable ht){

  Hashttable newht=(Hashtable)ht.clone();

}

问题又来了,由于是针对clone出来的对象操作,如果原来的母体被其他客户端操作修改了, 那么对clone出来的对象操作就没有意义了.

最后解决方案:我们可以等其他客户端修改完成后再进行clone,也就是说,这个特别的客户端先通过调用一个叫clone的方法来进行一系列数据获取操作.但实际上没有真正的进行对象拷贝,直至有其他客户端修改了这个对象Collection.

使用Proxy实现这个方案.这就是copy-on-write操作.

Proxy应用范围很广,现在流行的分布计算方式RMI和Corba等都是Proxy模式的应用.

更多Proxy应用,见http://www.research.umbc.edu/~tarr/cs491/lectures/Proxy.pdf

Sun公司的 Explore the Dynamic Proxy API Dynamic Proxy Classes

设计模式之Facade

设计模式之Facade(外观)

Facade的定义: 为子系统中的一组接口提供一个一致的界面.

Facade一个典型应用就是数据库JDBC的应用,如下例对数据库的操作:

public class DBCompare {

  Connection conn = null;
  PreparedStatement prep = null;
  ResultSet rset = null;
  try {
     Class.forName( "<driver>" ).newInstance();
     conn = DriverManager.getConnection( "<database>" );
    
     String sql = "SELECT * FROM <table> WHERE <column name> = ?";
     prep = conn.prepareStatement( sql );
     prep.setString( 1, "<column value>" );
     rset = prep.executeQuery();
     if( rset.next() ) {
        System.out.println( rset.getString( "<column name" ) );
     }
  } catch( SException e ) {
     e.printStackTrace();
  } finally {
     rset.close();
     prep.close();
     conn.close();
  }
}

上例是Jsp中最通常的对数据库操作办法.

在应用中,经常需要对数据库操作,每次都写上述一段代码肯定比较麻烦,需要将其中不变的部分提炼出来,做成一个接口,这就引入了facade外观对象.如果以后我们更换Class.forName中的<driver>也非常方便,比如从mysql数据库换到Oracle数据库,只要更换facade接口中的driver就可以.

我们做成了一个Facade接口,使用该接口,上例中的程序就可以更改如下:

public class DBCompare {

  String sql = "SELECT * FROM <table> WHERE <column name> = ?";  

  try {
     mysql msql=new mysql(sql);
     prep.setString( 1, "<column value>" );
     rset = prep.executeQuery();
     if( rset.next() ) {
        System.out.println( rset.getString( "<column name" ) );
     }
  } catch( SException e ) {
     e.printStackTrace();
  } finally {
     mysql.close();
     mysql=null;
  }
}

可见非常简单,所有程序对数据库访问都是使用改接口,降低系统的复杂性,增加了灵活性.

如果我们要使用连接池,也只要针对facade接口修改就可以.

由上图可以看出, facade实际上是个理顺系统间关系,降低系统间耦合度的一个常用的办法,也许你已经不知不觉在使用,尽管不知道它就是facade.

设计模式之Singleton

设计模式之Singleton(单态)

定义:
Singleton模式主要作用是保证在Java应用程序中,一个类Class只有一个实例存在。

在很多操作中,比如建立目录 数据库连接都需要这样的单线程操作。

还有, singleton能够被状态化; 这样,多个单态类在一起就可以作为一个状态仓库一样向外提供服务,比如,你要论坛中的帖子计数器,每次浏览一次需要计数,单态类能否保持住这个计数,并且能synchronize的安全自动加1,如果你要把这个数字永久保存到数据库,你可以在不修改单态接口的情况下方便的做到。

另外方面,Singleton也能够被无状态化。提供工具性质的功能,

Singleton模式就为我们提供了这样实现的可能。使用Singleton的好处还在于可以节省内存,因为它限制了实例的个数,有利于Java垃圾回收(garbage collection)。

我们常常看到工厂模式中类装入器(class loader)中也用Singleton模式实现的,因为被装入的类实际也属于资源。

如何使用?
一般Singleton模式通常有几种形式:

public class Singleton {

  private Singleton(){}

  //在自己内部定义自己一个实例,是不是很奇怪?
  //注意这是private 只供内部调用

  private static Singleton instance = new Singleton();

  //这里提供了一个供外部访问本class的静态方法,可以直接访问  
  public static Singleton getInstance() {
    return instance;   
   }
}

第二种形式:

public class Singleton {

  private static Singleton instance = null;

  public static synchronized Singleton getInstance() {

  //这个方法比上面有所改进,不用每次都进行生成对象,只是第一次     
  //使用时生成实例,提高了效率!
  if (instance==null)
    instance=new Singleton();
  return instance;   }

}

使用Singleton.getInstance()可以访问单态类。

上面第二中形式是lazy initialization,也就是说第一次调用时初始Singleton,以后就不用再生成了。

注意到lazy initialization形式中的synchronized,这个synchronized很重要,如果没有synchronized,那么使用getInstance()是有可能得到多个Singleton实例。关于lazy initialization的Singleton有很多涉及double-checked locking (DCL)的讨论,有兴趣者进一步研究。

一般认为第一种形式要更加安全些。

使用Singleton注意事项
有时在某些情况下,使用Singleton并不能达到Singleton的目的,如有多个Singleton对象同时被不同的类装入器装载;在EJB这样的分布式系统中使用也要注意这种情况,因为EJB是跨服务器,跨JVM的。

我们以SUN公司的宠物店源码(Pet Store 1.3.1)的ServiceLocator为例稍微分析一下:

在Pet Store中ServiceLocator有两种,一个是EJB目录下;一个是WEB目录下,我们检查这两个ServiceLocator会发现内容差不多,都是提供EJB的查询定位服务,可是为什么要分开呢?仔细研究对这两种ServiceLocator才发现区别:在WEB中的ServiceLocator的采取Singleton模式,ServiceLocator属于资源定位,理所当然应该使用Singleton模式。但是在EJB中,Singleton模式已经失去作用,所以ServiceLocator才分成两种,一种面向WEB服务的,一种是面向EJB服务的。

Singleton模式看起来简单,使用方法也很方便,但是真正用好,是非常不容易,需要对Java的类 线程 内存等概念有相当的了解。

进一步深入可参考:

Double-checked locking and the Singleton pattern

When is a singleton not a singleton?

设计模式之Builder

设计模式之Builder

Builder模式定义:
将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示.

Builder模式是一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户可以只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们.用户不知道内部的具体构建细节.Builder模式是非常类似抽象工厂模式,细微的区别大概只有在反复使用中才能体会到.

为何使用?
是为了将构建复杂对象的过程和它的部件解耦.注意: 是解耦过程部件.

因为一个复杂的对象,不但有很多大量组成部分,如汽车,有很多部件:车轮 方向盘 发动机还有各种小零件等等,部件很多,但远不止这些,如何将这些部件装配成一辆汽车,这个装配过程也很复杂(需要很好的组装技术),Builder模式就是为了将部件和组装过程分开.

如何使用?
首先假设一个复杂对象是由多个部件组成的,Builder模式是把复杂对象的创建和部件的创建分别开来,分别用Builder类和Director类来表示.

首先,需要一个接口,它定义如何创建复杂对象的各个部件:

public interface Builder {

  //创建部件A  比如创建汽车车轮
  void buildPartA();
  //创建部件B 比如创建汽车方向盘
  void buildPartB();
  //创建部件C 比如创建汽车发动机
  void buildPartC();

  //返回最后组装成品结果 (返回最后装配好的汽车)
  //成品的组装过程不在这里进行,而是转移到下面的Director类中进行.
  //从而实现了解耦过程部件
  Product getResult();

}

用Director构建最后的复杂对象,而在上面Builder接口中封装的是如何创建一个个部件(复杂对象是由这些部件组成的),也就是说Director的内容是如何将部件最后组装成成品:

public class Director {

  private Builder builder;

  public Director( Builder builder ) {
    this.builder = builder;
  }
  // 将部件partA partB partC最后组成复杂对象
  //这里是将车轮 方向盘和发动机组装成汽车的过程
  public void construct() {
    builder.buildPartA();
    builder.buildPartB();
    builder.buildPartC();

  }

}

Builder的具体实现ConcreteBuilder:
通过具体完成接口Builder来构建或装配产品的部件;
定义并明确它所要创建的是什么具体东西;
提供一个可以重新获取产品的接口:

public class ConcreteBuilder implements Builder {

  Part partA, partB, partC;
  public void buildPartA() {
    //这里是具体如何构建partA的代码

  };
  public void buildPartB() {
    //这里是具体如何构建partB的代码
  };
   public void buildPartC() {
    //这里是具体如何构建partB的代码
  };
   public Product getResult() {
    //返回最后组装成品结果
  };

}

复杂对象:产品Product:

public interface Product { }

复杂对象的部件:

public interface Part { }


我们看看如何调用Builder模式:
ConcreteBuilder builder = new ConcreteBuilder();
Director director = new Director( builder );

director.construct();
Product product = builder.getResult();

Builder模式的应用在Java实际使用中,我们经常用到"池"(Pool)的概念,当资源提供者无法提供足够的资源,并且这些资源需要被很多用户反复共享时,就需要使用池.

"池"实际是一段内存,当池中有一些复杂的资源的"断肢"(比如数据库的连接池,也许有时一个连接会中断),如果循环再利用这些"断肢",将提高内存使用效率,提高池的性能.修改Builder模式中Director类使之能诊断"断肢"断在哪个部件上,再修复这个部件.

具体英文文章见:Recycle broken objects in resource pools

设计模式之Prototype

设计模式之Prototype(原型)

定义:
用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象.

Prototype模式允许一个对象再创建另外一个可定制的对象,根本无需知道任何如何创建的细节,工作原理是:通过将一个原型对象传给那个要发动创建的对象,这个要发动创建的对象通过请求原型对象拷贝它们自己来实施创建。

如何使用?
因为Java中的提供clone()方法来实现对象的克隆(具体了解clone()按这里),所以Prototype模式实现一下子变得很简单.

以勺子为例:

public abstract class AbstractSpoon implements Cloneable
{
  String spoonName;

  public void setSpoonName(String spoonName) {this.spoonName = spoonName;}
  public String getSpoonName() {return this.spoonName;}

  public Object clone()
  {
    Object object = null;
    try {
      object = super.clone();
    } catch (CloneNotSupportedException exception) {
      System.err.println("AbstractSpoon is not Cloneable");
    }
    return object;
  }
}

有两个具体实现(ConcretePrototype):

public class SoupSpoon extends AbstractSpoon
{
  public SoupSpoon()
  {
    setSpoonName("Soup Spoon");
  }
}

public class SaladSpoon extends AbstractSpoon
{
  public SaladSpoon()
  {
    setSpoonName("Salad Spoon");
  }
}

调用Prototype模式很简单:

AbstractSpoon spoon = new SoupSpoon();
AbstractSpoon spoon = new SaladSpoon();

当然也可以结合工厂模式来创建AbstractSpoon实例。

在Java中Prototype模式变成clone()方法的使用,由于Java的纯洁的面向对象特性,使得在Java中使用设计模式变得很自然,两者已经几乎是浑然一体了。这反映在很多模式上,如Interator遍历模式。

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