Java开源框架中的设计模式以及应用场景

前言

设计模式是软件设计中常见问题的典型解决方案，你可以通过对其进行定制来解决代码中的特定设计问题。

关于设计模式，网上有很多讲解。但大部分都是Demo示例，看完有可能还是不知道怎么用。

本文笔者将从设计模式入手，看一看在优秀的Java框架/中间件产品中，不同的设计模式应用场景在哪里。

一、单例模式

单例模式是Java中最简单的设计模式之一，它提供了一种创建对象的最佳方式。这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

单例模式虽然很简单，但它的花样一点都不少，我们一一来看。

1、饿汉式

饿汉式，顾名思义，就是我很饿，迫不及待。不管有没有人用，我先创建了再说。

比如在Dubbo中的这段代码，创建一个配置管理器。

public class ConfigManager {
private static final ConfigManager configManager = new ConfigManager(); 
private ConfigManager() {}
public static ConfigManager getInstance() {
    return configManager;
}
} 

又或者在RocketMQ中，创建一个MQ客户端实例的时候。

public class MQClientManager {

private static MQClientManager instance = new MQClientManager();
private MQClientManager() {}
public static MQClientManager getInstance() {
    return instance;
}
} 

2、懒汉式

懒汉式是对应饿汉式而言的。它旨在第一次调用才初始化，避免内存浪费。但为了线程安全和性能，一般都会使用双重检查锁的方式来创建。

我们来看Seata框架中，通过这种方式来创建一个配置类。

public class ConfigurationFactory{

private static volatile Configuration CONFIG_INSTANCE = null;
public static Configuration getInstance() {
    if (CONFIG_INSTANCE == null) {
        synchronized (Configuration.class) {
            if (CONFIG_INSTANCE == null) {
                CONFIG_INSTANCE = buildConfiguration();
            }
        }
    }
    return CONFIG_INSTANCE;
}
} 

3、静态内部类

可以看到，通过双重检查锁的方式来创建单例对象，还是比较复杂的。又是加锁，又是判断两次，还需要加volatile修饰的。

使用静态内部类的方式，可以达到双重检查锁相同的功效，但实现上简单了。

在Seata框架中，创建RM事件处理程序器的时候，就使用了静态内部类的方式来创建单例对象。

public class DefaultRMHandler extends AbstractRMHandler{

protected DefaultRMHandler() {
    initRMHandlers();
}
private static class SingletonHolder {
    private static AbstractRMHandler INSTANCE = new DefaultRMHandler();
}
public static AbstractRMHandler get() {
    return DefaultRMHandler.SingletonHolder.INSTANCE;
}
} 

还有可以通过枚举的方式来创建单例对象，但这种方式并没有被广泛采用，至少笔者在常见的开源框架中没见过，所以就不再列举。

有人说，饿汉式的单例模式不好，不能做到延迟加载，浪费内存。但笔者认为似乎过于吹毛求疵，事实上很多开源框架中，用的最多的就是这种方式。

如果明确希望实现懒加载效果时，可以考虑用静态内部类的方式；如果还有其他特殊的需求，比如创建对象的过程比较繁琐，可以用双重检查锁的方式。

二、工厂模式

工厂模式是Java中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

简单来说，在工厂模式中，就是代替new实例化具体类的一种模式。

1、简单工厂

简单工厂，的确比较简单，它的作用就是把对象的创建放到一个工厂类中，通过参数来创建不同的对象。

在分布式事务框架Seata中，如果发生异常，则需要进行二阶段回滚。

它的过程是，通过事务id找到undoLog记录，然后解析里面的数据生成SQL，将一阶段执行的SQL给撤销掉。

问题是SQL的种类包含了比如INSERT、UPDATE、DELETE，所以它们反解析的过程也不一样，就需要不同的执行器去解析。

在Seata中，有一个抽象的撤销执行器，可以生成一条SQL。

public abstract class AbstractUndoExecutor{
//生成撤销SQL
protected abstract String buildUndoSQL();
} 

然后有一个获取撤销执行器的工厂，根据SQL的类型，创建不同类型的执行器并返回。

public class UndoExecutorFactory {

public static AbstractUndoExecutor getUndoExecutor(String dbType, SQLUndoLog sqlUndoLog) {
    switch (sqlUndoLog.getSqlType()) {
        case INSERT:
            return new MySQLUndoInsertExecutor(sqlUndoLog);
        case UPDATE:
            return new MySQLUndoUpdateExecutor(sqlUndoLog);
        case DELETE:
            return new MySQLUndoDeleteExecutor(sqlUndoLog);
        default:
            throw new ShouldNeverHappenException();
    }
}
} 

使用的时候，直接通过工厂类获取执行器。

AbstractUndoExecutor undoExecutor = UndoExecutorFactory.getUndoExecutor(dataSourceProxy.getDbType(),sqlUndoLog);
undoExecutor.executeOn(conn);

简单工厂模式的优点，想必各位都能领会，我们不再赘述。但它还有个小小的缺点：

一旦有了新的实现类，就需要修改工厂实现，有可能造成工厂逻辑过于复杂，不利于系统的扩展和维护。

2、工厂方法

工厂方法模式解决了上面那个问题。它可以创建一个工厂接口和多个工厂实现类，这样如果增加新的功能，只需要添加新的工厂类就可以，不需要修改之前的代码。

另外，工厂方法模式还可以和模板方法模式结合一起，将他们共同的基础逻辑抽取到父类中，其它的交给子类去实现。

在Dubbo中，有一个关于缓存的设计完美的体现了工厂方法模式+模板方法模式。

首先，有一个缓存的接口，它提供了设置缓存和获取缓存两个方法。

public interface Cache {
void put(Object key, Object value);
Object get(Object key);
} 

然后呢，还有一个缓存工厂，它返回一个缓存的实现。

public interface CacheFactory {
Cache getCache(URL url, Invocation invocation);
} 

由于结合了模板方法模式，所以Dubbo又搞了个抽象的缓存工厂类，它实现了缓存工厂的接口。

public abstract class AbstractCacheFactory implements CacheFactory {

//具体的缓存实现类
private final ConcurrentMap<String, Cache> caches = new ConcurrentHashMap<String, Cache>();

@Override
public Cache getCache(URL url, Invocation invocation) {
    url = url.addParameter(Constants.METHOD_KEY, invocation.getMethodName());
    String key = url.toFullString();
    Cache cache = caches.get(key);
    if (cache == null) {
        //创建缓存实现类，交给子类实现
        caches.put(key, createCache(url));
        cache = caches.get(key);
    }
    return cache;
}
//抽象方法，交给子类实现
protected abstract Cache createCache(URL url);
} 

在这里，公共的逻辑就是通过getCahce()创建缓存实现类，那具体创建什么样的缓存实现类，就由子类去决定。

所以，每个子类都是一个个具体的缓存工厂类，比如包括：

ExpiringCacheFactory、JCacheFactory、LruCacheFactory、ThreadLocalCacheFactory。
这些工厂类，只有一个方法，就是创建具体的缓存实现类。
public class ThreadLocalCacheFactory extends AbstractCacheFactory {
@Override
protected Cache createCache(URL url) {
    return new ThreadLocalCache(url);
}
} 

这里的ThreadLocalCache就是具体的缓存实现类，比如它是通过ThreadLocal来实现缓存功能。

public class ThreadLocalCache implements Cache {

private final ThreadLocal<Map<Object, Object>> store;

public ThreadLocalCache(URL url) {
    this.store = new ThreadLocal<Map<Object, Object>>() {
        @Override
        protected Map<Object, Object> initialValue() {
            return new HashMap<Object, Object>();
        }
    };
}
@Override
public void put(Object key, Object value) {
    store.get().put(key, value);
}
@Override
public Object get(Object key) {
    return store.get().get(key);
}
} 

那在客户端使用的时候，还是通过工厂来获取缓存对象。

public static void main(String[] args) {
URL url = URL.valueOf("http://localhost:8080/cache=jacache&.cache.write.expire=1");
Invocation invocation = new RpcInvocation();
CacheFactory cacheFactory = new ThreadLocalCacheFactory();
Cache cache = cacheFactory.getCache(url, invocation);
cache.put("java","java");
System.out.println(cache.get("java"));
} 

这样做的好处有两点。

第一，如果增加新的缓存实现，只要添加一个新的缓存工厂类就可以，别的都无需改动。

第二，通过模板方法模式，封装不变部分，扩展可变部分。提取公共代码，便于维护。

另外，在Dubbo中，注册中心的获取也是通过工厂方法来实现的。

3、抽象工厂

抽象工厂模式，它能创建一系列相关的对象，而无需指定其具体类。

工厂方法模式和抽象工厂模式，它们之间最大的区别在于：

• 工厂方法模式只有一个抽象产品类，具体工厂类只能创建一个具体产品类的实例；
• 抽象工厂模式有多个抽象产品类，具体工厂类可以创建多个具体产品类的实例。

我们拿上面缓存的例子来继续往下说。

如果我们现在有一个数据访问程序，需要同时操作缓存和数据库，那就需要多个抽象产品和多个具体产品实现。

缓存相关的产品类都已经有了，我们接着来创建数据库相关的产品实现。

首先，有一个数据库接口，它是抽象产品类。

public interface DataBase {
void insert(Object tableName, Object record);
Object select(Object tableName);
} 

然后，我们创建两个具体产品类MysqlDataBase和OracleDataBase。

public class MysqlDataBase implements DataBase{
Map<Object,Object> mysqlDb = new HashMap<>();
@Override
public void insert(Object tableName, Object record) {
    mysqlDb.put(tableName,record);
}
@Override
public Object select(Object tableName) {
    return mysqlDb.get(tableName);
}
}

public class OracleDataBase implements DataBase {
Map<Object,Object> oracleDb = new HashMap<>();
@Override
public void insert(Object tableName, Object record) {
    oracleDb.put(tableName,record);
}
@Override
public Object select(Object tableName) {
    return oracleDb.get(tableName);
}
} 

其次，创建抽象的工厂类，它可以返回一个缓存对象和数据库对象。

public interface DataAccessFactory {
Cache getCache(URL url);
DataBase getDb();
} 

最后是具体的工厂类，可以根据实际的需求，任意组合每一个具体的产品。

比如我们需要一个基于ThreadLocal的缓存实现和基于MySQL的数据库对象。

public class DataAccessFactory1 implements DataAccessFactory {
@Override
public Cache getCache(URL url) {
    return new ThreadLocalCache(url);
}
@Override
public DataBase getDb() {
    return new MysqlDataBase();
}
} 

如果需要一个基于Lru的缓存实现和基于Oracle的数据库对象。

public class DataAccessFactory2 implements DataAccessFactory {
@Override
public Cache getCache(URL url) {
    return new LruCache(url);
}
@Override
public DataBase getDb() {
    return new OracleDataBase();
}
} 

可以看到，抽象工厂模式隔离了具体类的生成，使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离，更换一个具体工厂就变得相对容易，所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口，因此只需改变具体工厂的实例，就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。

三、模板方法模式

在模板模式中，一个抽象类公开定义了执行它的方法的方式/模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行。

简单来说，有多个子类共有的方法，且逻辑相同，可以考虑作为模板方法。

在上面Dubbo缓存的例子中，我们已经看到了模板方法模式的应用。但那个是和工厂方法模式结合在一块的，我们再单独找找模板方法模式的应用。

我们知道，当我们的Dubbo应用出现多个服务提供者时，服务消费者需要通过负载均衡算法，选择其中一个服务来进行调用。

首先，有一个LoadBalance接口，返回一个Invoker。

public interface LoadBalance {
<T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) throws RpcException;
} 

然后定义一个抽象类，AbstractLoadBalance，实现LoadBalance接口。

public abstract class AbstractLoadBalance implements LoadBalance {

@Override
public <T> Invoker<T> select(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    if (invokers == null || invokers.isEmpty()) {
        return null;
    }
    if (invokers.size() == 1) {
        return invokers.get(0);
    }
    return doSelect(invokers, url, invocation);
}
//抽象方法，由子类选择一个Invoker
protected abstract <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation);
} 

这里的公共逻辑就是两个判断，判断invokers集合是否为空或者是否只有一个实例。如果是的话，就无需调用子类，直接返回就好了。

具体的负载均衡实现有四个：

• 基于权重随机算法的 RandomLoadBalance
• 基于最少活跃调用数算法的 LeastActiveLoadBalance
• 基于 hash 一致性的 ConsistentHashLoadBalance
• 基于加权轮询算法的 RoundRobinLoadBalance

public class RandomLoadBalance extends AbstractLoadBalance {
@Override
protected <T> Invoker<T> doSelect(List<Invoker<T>> invokers, URL url, Invocation invocation) {
    //省略逻辑....
    return invokers.get(ThreadLocalRandom.current().nextInt(length));
}
} 

它们根据不同的算法实现，来返回一个具体的Invoker对象。

四、构造器模式

构造器模式使用多个简单的对象一步一步构建成一个复杂的对象。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式，常见于在构建一个复杂的对象，里面可能包含一些业务逻辑，比如检查，属性转换等。如果都在客户端手动去设置，那么会产生大量的冗余代码。那么这时候，我们就可以考虑使用构造器模式。

比如，在MyBatis中，MappedStatement的创建过程就使用了构造器模式。

我们知道，XML文件中的每一个SQL标签就要生成一个MappedStatement对象，它里面包含很多个属性，我们要构造的对象也是它。

public final class MappedStatement {
private String resource;
private Configuration configuration;
private String id;
private SqlSource sqlSource;
private ParameterMap parameterMap;
private List<ResultMap> resultMaps;
//.....省略大部分属性
} 

然后有一个内部类Builder，它负责完成MappedStatement对象的构造。

首先，这个Builder类，通过默认的构造函数，先完成对MappedStatement对象，部分的构造。

public static class Builder {

private MappedStatement mappedStatement = new MappedStatement();

public Builder(Configuration configuration, String id, SqlSource sqlSource, SqlCommandType sqlCommandType) {
    mappedStatement.configuration = configuration;
    mappedStatement.id = id;
    mappedStatement.sqlSource = sqlSource;
    mappedStatement.statementType = StatementType.PREPARED;
    mappedStatement.resultSetType = ResultSetType.DEFAULT;
    //.....省略大部分过程
}
} 

然后，通过一系列方法，可以设置特定的属性，并返回这个Builder类，这里的方法适合处理一些业务逻辑。

public static class Builder {

public Builder parameterMap(ParameterMap parameterMap) {
  mappedStatement.parameterMap = parameterMap;
  return this;
}

public Builder resultMaps(List<ResultMap> resultMaps) {
  mappedStatement.resultMaps = resultMaps;
  for (ResultMap resultMap : resultMaps) {
    mappedStatement.hasNestedResultMaps = mappedStatement.hasNestedResultMaps || resultMap.hasNestedResultMaps();
  }
  return this;
}

public Builder statementType(StatementType statementType) {
  mappedStatement.statementType = statementType;
  return this;
}

public Builder resultSetType(ResultSetType resultSetType) {
  mappedStatement.resultSetType = resultSetType == null ? ResultSetType.DEFAULT : resultSetType;
  return this;
}
} 

最后呢，就是提供一个build方法，返回构建完成的对象就好了。

public MappedStatement build() {
assert mappedStatement.configuration != null;
assert mappedStatement.id != null;
assert mappedStatement.sqlSource != null;
assert mappedStatement.lang != null;
mappedStatement.resultMaps = Collections.unmodifiableList(mappedStatement.resultMaps);
return mappedStatement;
} 

在客户端使用的时候，先创建一个Builder，然后链式的调用一堆方法，最后再调用一次build()方法，我们需要的对象就有了，这就是构造器模式的应用。

MappedStatement.Builder statementBuilder = new MappedStatement.Builder(configuration, id, sqlSource, sqlCommandType)
.resource(resource)
.fetchSize(fetchSize)
.timeout(timeout)
.statementType(statementType)
.keyGenerator(keyGenerator)
.keyProperty(keyProperty)
.keyColumn(keyColumn)
.databaseId(databaseId)
.lang(lang)
.resultOrdered(resultOrdered)
.resultSets(resultSets)
.resultMaps(getStatementResultMaps(resultMap, resultType, id))
.resultSetType(resultSetType)
.flushCacheRequired(valueOrDefault(flushCache, !isSelect))
.useCache(valueOrDefault(useCache, isSelect))
.cache(currentCache);

ParameterMap statementParameterMap = getStatementParameterMap(parameterMap, parameterType, id);
MappedStatement statement = statementBuilder.build();
configuration.addMappedStatement(statement);
return statement;

五、适配器模式

适配器模式是作为两个不兼容的接口之间的桥梁。这种类型的设计模式属于结构型模式，它结合了两个独立接口的功能。

适配器模式一般用于屏蔽业务逻辑与第三方服务的交互，或者是新老接口之间的差异。

我们知道，在Dubbo中，所有的数据都是通过Netty来负责传输的，然后这就涉及了消息编解码的问题。

所以，首先它有一个编解码器的接口，负责编码和解码。

@SPI
public interface Codec2 {

@Adaptive({Constants.CODEC_KEY})
void encode(Channel channel, ChannelBuffer buffer, Object message) throws IOException;

@Adaptive({Constants.CODEC_KEY})
Object decode(Channel channel, ChannelBuffer buffer) throws IOException;

enum DecodeResult {
    NEED_MORE_INPUT, SKIP_SOME_INPUT
}
} 

然后，有几个实现类，比如DubboCountCodec、DubboCodec、ExchangeCodec等。

但是，当我们打开这些类的时候，就会发现，他们都是Dubbo中普通的类，只是实现了Codec2接口，其实不能直接作用于Netty编解码。

这是因为，Netty编解码需要实现ChannelHandler接口，这样才会被声明成Netty的处理组件。比如像MessageToByteEncoder、ByteToMessageDecoder那样。

鉴于此，Dubbo搞了一个适配器，专门来适配编解码器接口。

final public class NettyCodecAdapter {

private final ChannelHandler encoder = new InternalEncoder();
private final ChannelHandler decoder = new InternalDecoder();
private final Codec2 codec;
private final URL url;
private final org.apache.dubbo.remoting.ChannelHandler handler;

public NettyCodecAdapter(Codec2 codec, URL url, org.apache.dubbo.remoting.ChannelHandler handler) {
    this.codec = codec;
    this.url = url;
    this.handler = handler;
}
public ChannelHandler getEncoder() {
    return encoder;
}
public ChannelHandler getDecoder() {
    return decoder;
}

private class InternalEncoder extends MessageToByteEncoder {
    @Override
    protected void encode(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ByteBuf out) throws Exception {
        org.apache.dubbo.remoting.buffer.ChannelBuffer buffer = new NettyBackedChannelBuffer(out);
        Channel ch = ctx.channel();
        NettyChannel channel = NettyChannel.getOrAddChannel(ch, url, handler);
        codec.encode(channel, buffer, msg);
    }
}
private class InternalDecoder extends ByteToMessageDecoder {
    @Override
    protected void decode(ChannelHandlerContext ctx, ByteBuf input, List<Object> out) throws Exception {
        ChannelBuffer message = new NettyBackedChannelBuffer(input);
        NettyChannel channel = NettyChannel.getOrAddChannel(ctx.channel(), url, handler);
        //解码对象
        codec.decode(channel, message);
        //省略部分代码...
    }
}
} 

上面的代码中，我们看到，NettyCodecAdapter类适配的是Codec2接口，通过构造函数传递实现类，然后定义了内部的编码器实现和解码器实现，同时它们都是ChannelHandler。

这样的话，在内部类里面的编码和解码逻辑，真正调用的还是Codec2接口。

最后我们再来看看，该适配器的调用方式。

//通过SPI方式获取编解码器的实现类，比如这里是DubboCountCodec
Codec2 codec = ExtensionLoader.getExtensionLoader(Codec2.class).getExtension("dubbo");
URL url = new URL("dubbo", "localhost", 22226);
//创建适配器
NettyCodecAdapter adapter = new NettyCodecAdapter(codec, url, NettyClient.this);
//向ChannelPipeline中添加编解码处理器
ch.pipeline()
.addLast("decoder", adapter.getDecoder())
.addLast("encoder", adapter.getEncoder())

以上，就是Dubbo中关于编解码器对于适配器模式的应用。

六、责任链模式

责任链模式为请求创建了一个接收者对象的链。允许你将请求沿着处理者链进行发送。收到请求后，每个处理者均可对请求进行处理，或将其传递给链上的下个处理者。

我们来看一个Netty中的例子。我们知道，在Netty中服务端处理消息，就要添加一个或多个ChannelHandler。那么，承载这些ChannelHandler的就是ChannelPipeline，它的实现过程就体现了责任链模式的应用。

ServerBootstrap serverBootstrap = new ServerBootstrap();
serverBootstrap.childHandler(new ChannelInitializer<NioSocketChannel>() {
protected void initChannel(NioSocketChannel channel) {
    channel.pipeline()
        .addLast(new ChannelHandler1())
        .addLast(new ChannelHandler2())
        .addLast(new ChannelHandler3());
}
});

需要知道的是，在Netty整个框架里面，一条连接对应着一个Channel，每一个新创建的Channel都将会被分配一个新的ChannelPipeline。

ChannelPipeline里面保存的是ChannelHandlerContext对象，它是Channel相关的上下文对象，里面包着我们定义的处理器ChannelHandler。

根据事件的起源，IO事件将会被ChannelInboundHandler或者ChannelOutboundHandler处理。随后，通过调用ChannelHandlerContext实现，它将被转发给同一超类型的下一个ChannelHandler。

1、ChannelHandler

首先，我们来看责任处理器接口，Netty中的ChannelHandler，它充当了所有处理入站和出站数据的应用程序逻辑的容器。

public interface ChannelHandler {
//当把 ChannelHandler 添加到 ChannelPipeline 中时被调用
void handlerAdded(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
//当从 ChannelPipeline 中移除 ChannelHandler 时被调用
void handlerRemoved(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
//当处理过程中在 ChannelPipeline 中有错误产生时被调用
void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception;
} 

然后Netty定义了下面两个重要的ChannelHandler子接口：

1、ChannelInboundHandler，处理入站数据以及各种状态变化；

public interface ChannelInboundHandler extends ChannelHandler {
//当 Channel 已经注册到它的 EventLoop 并且能够处理 I/O 时被调用
void channelRegistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
//当 Channel 从它的 EventLoop 注销并且无法处理任何 I/O 时被调用
void channelUnregistered(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception; 
//当 Channel 处于活动状态时被调用；Channel 已经连接/绑定并且已经就绪
void channelActive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;   
//当 Channel 离开活动状态并且不再连接它的远程节点时被调用
void channelInactive(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;  
当从 Channel 读取数据时被调用
void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg) throws Exception;   
//当 Channel上的一个读操作完成时被调用
void channelReadComplete(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
void userEventTriggered(ChannelHandlerContext ctx, Object evt) throws Exception; 
void channelWritabilityChanged(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
void exceptionCaught(ChannelHandlerContext ctx, Throwable cause) throws Exception;
} 

2、ChannelOutboundHandler，处理出站数据并且允许拦截所有的操作；

public interface ChannelOutboundHandler extends ChannelHandler {

//当请求将 Channel 绑定到本地地址时被调用
void bind(ChannelHandlerContext ctx, SocketAddress localAddress, ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求将 Channel 连接到远程节点时被调用
void connect(ChannelHandlerContext ctx, SocketAddress remoteAddress,SocketAddress localAddress, 
    ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求将 Channel 从远程节点断开时被调用
void disconnect(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求关闭 Channel 时被调用
void close(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求将 Channel 从它的 EventLoop 注销时被调用
void deregister(ChannelHandlerContext ctx, ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求从 Channel 读取更多的数据时被调用
void read(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
//当请求通过 Channel 将数据写到远程节点时被调用
void write(ChannelHandlerContext ctx, Object msg, ChannelPromise promise) throws Exception;
//当请求通过 Channel 将入队数据冲刷到远程节点时被调用
void flush(ChannelHandlerContext ctx) throws Exception;
} 

2、ChannelPipeline

既然叫做责任链模式，那就需要有一个“链”，在Netty中就是ChannelPipeline。

ChannelPipeline提供了ChannelHandler链的容器，并定义了用于在该链上传播入站和出站事件流的方法，另外它还具有添加删除责任处理器接口的功能。

public interface ChannelPipeline{
ChannelPipeline addFirst(String name, ChannelHandler handler);
ChannelPipeline addLast(String name, ChannelHandler handler);
ChannelPipeline addBefore(String baseName, String name, ChannelHandler handler);
ChannelPipeline addAfter(String baseName, String name, ChannelHandler handler);
ChannelPipeline remove(ChannelHandler handler);
ChannelHandler replace(String oldName, String newName, ChannelHandler newHandler);
@Override
ChannelPipeline fireChannelRegistered();
@Override
ChannelPipeline fireChannelActive();
@Override
ChannelPipeline fireExceptionCaught(Throwable cause);
@Override
ChannelPipeline fireUserEventTriggered(Object event);
@Override
ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg);
@Override
ChannelPipeline flush();
//省略部分方法.....
} 

然后我们看它的实现，默认有两个节点，头结点和尾结点。并在构造函数中，使它们首尾相连。这就是标准的链式结构。

public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {

final AbstractChannelHandlerContext head;
final AbstractChannelHandlerContext tail;
private final Channel channel;

protected DefaultChannelPipeline(Channel channel) {
    this.channel = ObjectUtil.checkNotNull(channel, "channel");
    tail = new TailContext(this);
    head = new HeadContext(this);
    head.next = tail;
    tail.prev = head;
}
} 

当有新的ChannelHandler被添加时，则将其封装为ChannelHandlerContext对象，然后插入到链表中。

private void addLast0(AbstractChannelHandlerContext newCtx) {
AbstractChannelHandlerContext prev = tail.prev;
newCtx.prev = prev;
newCtx.next = tail;
prev.next = newCtx;
tail.prev = newCtx;
} 

3、ChannelHandlerContext

ChannelHandlerContext代表了ChannelHandler和ChannelPipeline之间的关联，每当有ChannelHandler添加到ChannelPipeline中时，都会创建ChannelHandlerContext。

ChannelHandlerContext的主要功能是管理它所关联的ChannelHandler和在同一个ChannelPipeline中的其他ChannelHandler之间的交互。

public interface ChannelHandlerContext{
Channel channel();
EventExecutor executor();
ChannelHandler handler();
ChannelPipeline pipeline();
@Override
ChannelHandlerContext fireChannelRegistered();
@Override
ChannelHandlerContext fireChannelUnregistered();
@Override
ChannelHandlerContext fireChannelActive();
@Override
ChannelHandlerContext fireChannelRead(Object msg);
@Override
ChannelHandlerContext read();
@Override
ChannelHandlerContext flush();
//省略部分方法……
} 

ChannelHandlerContext负责在链上传播责任处理器接口的事件。

它有两个重要的方法，查找Inbound类型和Outbound类型的处理器。

值得注意的是，如果一个入站事件被触发，它将被从ChannelPipeline的头部开始一直被传播到ChannelPipeline的尾端；一个出站事件将从ChannelPipeline的最右边开始，然后向左传播。

abstract class AbstractChannelHandlerContext implements ChannelHandlerContext, ResourceLeakHint {

volatile AbstractChannelHandlerContext next;
volatile AbstractChannelHandlerContext prev;

//查找下一个Inbound类型的处理器，左 > 右
private AbstractChannelHandlerContext findContextInbound(int mask) {
    AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
    EventExecutor currentExecutor = executor();
    do {
        ctx = ctx.next;
    } while (skipContext(ctx, currentExecutor, mask, MASK_ONLY_INBOUND));
    return ctx;
}
//查找下一个Outbound类型的处理器，右 > 左
private AbstractChannelHandlerContext findContextOutbound(int mask) {
    AbstractChannelHandlerContext ctx = this;
    EventExecutor currentExecutor = executor();
    do {
        ctx = ctx.prev;
    } while (skipContext(ctx, currentExecutor, mask, MASK_ONLY_OUTBOUND));
    return ctx;
}
} 

4、处理流程

当我们向服务端发送消息的时候，将会触发read方法。

public abstract class AbstractNioByteChannel extends AbstractNioChannel {
public final void read() {  
    //从Channel中获取对应的ChannelPipeline
    final ChannelPipeline pipeline = pipeline();
    //数据载体
    ByteBuf byteBuf = allocHandle.allocate(allocator);
    //传递数据
    pipeline.fireChannelRead(byteBuf);
}
} 

上面的代码中，就会调用到ChannelPipeline，它会从Head节点开始，根据上下文对象依次调用处理器。

public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {
public final ChannelPipeline fireChannelRead(Object msg) {
    AbstractChannelHandlerContext.invokeChannelRead(head, msg);
    return this;
}
} 

因为第一个节点是默认的头结点HeadContext，所以它是从ChannelHandlerContext开始的。

abstract class AbstractChannelHandlerContext implements ChannelHandlerContext, ResourceLeakHint {
//找到下一个ChannelHandler并执行
public ChannelHandlerContext fireChannelRead(final Object msg) {
    invokeChannelRead(findContextInbound(MASK_CHANNEL_READ), msg);
    return this;
}

} 

然后在我们自定义的ChannelHandler中，就会被调用到。

public class ChannelHandler1 extends ChannelInboundHandlerAdapter {
public void channelRead(ChannelHandlerContext ctx, Object msg){
    System.out.println("ChannelHandler1:"+msg);
    ctx.fireChannelRead(msg);
}
} 

如果消息有多个ChannelHandler，你可以自由选择是否继续往下传递请求。

比如，如果你认为消息已经被处理且不应该继续往下调用，把上面的ctx.fireChannelRead(msg);注释掉就终止了整个责任链。

七、策略模式

该模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的变化不会影响使用算法的客户。

策略模式是一个很常见，而且也很好用的设计模式，如果你的业务代码中有大量的if...else，那么就可以考虑是否可以使用策略模式改造一下。

RocketMQ我们大家都熟悉，是一款优秀的分布式消息中间件。消息中间件，简单来说，就是客户端发送一条消息，服务端存储起来并提供给消费者去消费。

请求消息的类型多种多样，处理过程肯定也不一样，每次都判断一下再处理就落了下乘。在RocketMQ里，它会把所有处理器注册起来，然后根据请求消息的code，让对应的处理器处理请求，这就是策略模式的应用。

首先，它们需要实现同一个接口，在这里就是请求处理器接口。

public interface NettyRequestProcessor {
RemotingCommand processRequest(ChannelHandlerContext ctx, RemotingCommand request)throws Exception;
boolean rejectRequest();
} 

这个接口只做一件事，就是处理来自客户端的请求。不同类型的请求封装成不同的RemotingCommand对象。

RocketMQ大概有90多种请求类型，都在RequestCode里以code来区分。

然后，定义一系列策略类。我们来看几个。

//默认的消息处理器
public class DefaultRequestProcessor implements NettyRequestProcessor {}
//发送消息的处理器
public class SendMessageProcessor extends AbstractSendMessageProcessor implements NettyRequestProcessor {}
//拉取消息的处理器
public class PullMessageProcessor implements NettyRequestProcessor {}
//查询消息的处理器
public class QueryMessageProcessor implements NettyRequestProcessor {}
//消费者端管理的处理器
public class ConsumerManageProcessor implements NettyRequestProcessor {} 

接着，将这些策略类封装起来。在RocketMQ中，在启动Broker服务器的时候，注册这些处理器。

public class BrokerController {

public void registerProcessor() {

    SendMessageProcessor sendProcessor = new SendMessageProcessor(this);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.SEND_MESSAGE, sendProcessor, this.sendMessageExecutor);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.SEND_MESSAGE_V2, sendProcessor, this.sendMessageExecutor);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.PULL_MESSAGE,this.pullMessageProcessor,this.pullMessageExecutor);

    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.SEND_REPLY_MESSAGE, replyMessageProcessor, replyMessageExecutor);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.SEND_REPLY_MESSAGE_V2, replyMessageProcessor, replyMessageExecutor);

    NettyRequestProcessor queryProcessor = new QueryMessageProcessor(this);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.QUERY_MESSAGE, queryProcessor, this.queryMessageExecutor);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.VIEW_MESSAGE_BY_ID, queryProcessor, this.queryMessageExecutor);

    ClientManageProcessor clientProcessor = new ClientManageProcessor(this);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.HEART_BEAT, clientProcessor, this.heartbeatExecutor);
    this.remotingServer.registerProcessor(RequestCode.UNREGISTER_CLIENT, clientProcessor, this.clientManageExecutor);
    //省略部分注册过程.....
}
} 

最后，在Netty接收到客户端的请求之后，就会根据消息的类型，找到对应的策略类，去处理消息。

public abstract class NettyRemotingAbstract {

public void processRequestCommand(final ChannelHandlerContext ctx, final RemotingCommand cmd) {
    //根据请求类型找到对应的策略类
    final Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> matched = this.processorTable.get(cmd.getCode());
    //如果没有找到就使用默认的
    final Pair<NettyRequestProcessor, ExecutorService> pair = 
                null == matched ? this.defaultRequestProcessor : matched;
    //执行策略
    final RemotingCommand response = pair.getObject1().processRequest(ctx, cmd);
    //省略大部分代码......
}
} 

如果有了新的请求消息类型，RocketMQ也无需修改业务代码，新增策略类并将其注册进来就好了。

八、代理模式

代理模式，为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。

在一些开源框架或中间件产品中，代理模式会非常常见。我们使用的时候越简便，框架在背后帮我们做的事就可能越复杂。这里面往往都体现着代理模式的应用，颇有移花接木的味道。

1、Dubbo

Dubbo作为一个RPC框架，其中有一个很重要的功能就是：

提供高性能的基于代理的远程调用能力，服务以接口为粒度，为开发者屏蔽远程调用底层细节。

这里我们关注两个重点：

• 面向接口代理；
• 屏蔽调用底层细节。

比如我们有一个库存服务，它提供一个扣减库存的接口。

public interface StorageDubboService {
int decreaseStorage(StorageDTO storage);
} 

在别的服务里，需要扣减库存的时候，就会通过Dubbo引用这个接口，也比较简单。

@Reference
StorageDubboService storageDubboService;

我们使用起来很简单，可StorageDubboService只是一个普通的服务类，并不具备远程调用的能力。

Dubbo就是给这些服务类，创建了代理类。通过ReferenceBean来创建并返回一个代理对象。

public class ReferenceBean<T>{
@Override
public Object getObject() {
    return get();
}
public synchronized T get() {
    if (ref == null) {
        init();
    }
    return ref;
}
} 

在我们使用的时候，实则调用的是代理对象，代理对象完成复杂的远程调用。比如连接注册中心、负载均衡、集群容错、连接服务器发送消息等功能。

2、MyBatis

还有一个典型的应用，就是我们经常在用的MyBatis。我们在使用的时候，一般只操作Mapper接口，然后MyBatis会找到对应的SQL语句来执行。

public interface UserMapper {   
List<User> getUserList();
} 

如上代码，UserMapper也只是一个普通的接口，它是怎样最终执行到我们的SQL语句的呢？

答案也是代理。当MyBatis扫描到我们定义的Mapper接口时，会将其设置为MapperFactoryBean，并创建返回一个代理对象。

protected T newInstance(SqlSession sqlSession) {
final MapperProxy<T> mapperProxy = new MapperProxy<>(sqlSession, mapperInterface, methodCache);
return (T) Proxy.newProxyInstance(mapperInterface.getClassLoader(), new Class[] { mapperInterface }, mapperProxy);
} 

代理对象去通过请求的方法名找到MappedStatement对象，调用执行器，解析SqlSource对象来生成SQL，执行并解析返回结果等。

以上案例具体的实现过程，在这里就不再深入细聊。有兴趣可能翻阅笔者其他文章~

九、装饰器模式

装饰器模式，在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式，它属于对象结构型模式。

MyBatis里的缓存设计，就是装饰器模式的典型应用。

首先，我们知道，MyBatis执行器是MyBatis调度的核心，它负责SQL语句的生成和执行。

在创建SqlSession的时候，会创建这个执行器，默认的执行器是SimpleExecutor。

但是为了给执行器增加缓存的职责，就变成了在SimpleExecutor上一层添加了CachingExecutor。

在CachingExecutor中的实际操作还是委托给SimpleExecutor去执行，只是在执行前后增加了缓存的操作。

首先，我们来看看它的装饰过程。

public Executor newExecutor(Transaction transaction, ExecutorType executorType) {
//默认的执行器
executorType = executorType == null ? defaultExecutorType : executorType;
executorType = executorType == null ? ExecutorType.SIMPLE : executorType;
Executor executor;
if (ExecutorType.BATCH == executorType) {
    executor = new BatchExecutor(this, transaction);
} else if (ExecutorType.REUSE == executorType) {
    executor = new ReuseExecutor(this, transaction);
} else {
    executor = new SimpleExecutor(this, transaction);
}
//使用缓存执行器来装饰
if (cacheEnabled) {
    executor = new CachingExecutor(executor);
}
executor = (Executor) interceptorChain.pluginAll(executor);
return executor;
} 

当SqlSession执行方法的时候，则会先调用到CachingExecutor，我们来看查询方法。

public class CachingExecutor implements Executor {
@Override
public <E> List<E> query()throws SQLException {
    Cache cache = ms.getCache();
    if (cache != null) {
        flushCacheIfRequired(ms);
        if (ms.isUseCache() && resultHandler == null) {
            List<E> list = (List<E>) tcm.getObject(cache, key);
            if (list == null) {
                list = delegate.query(ms, parameterObject, rowBounds, resultHandler, key, boundSql);
                tcm.putObject(cache, key, list); // issue #578 and #116
            }
            return list;
        }
    }
    return delegate.query(ms, parameterObject, rowBounds, resultHandler, key, boundSql);
}
} 

这里的代码，如果开启了缓存，则先从缓存中获取结果。如果没有开启缓存或者缓存中没有结果，则再调用SimpleExecutor执行器去数据库中查询。

十、观察者模式

观察者模式，定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。

在Spring或者SpringBoot项目中，有时候我们需要在Spring容器启动并加载完之后，做一些系统初始化的事情。这时候，我们可以配置一个观察者ApplicationListener，来达到这一目的。这就是观察者模式的实践。

@Component
public class ApplicationStartup implements ApplicationListener<ContextRefreshedEvent> {
@Override
public void onApplicationEvent(ContextRefreshedEvent event) {
    System.out.println("干一些系统初始化的事情....");
    ApplicationContext context = event.getApplicationContext();
    String[] names = context.getBeanDefinitionNames();
    for (String beanName:names){
        System.out.println("----------"+beanName+"---------");
    }
}
} 

首先，我们知道，ApplicationContext是 Spring 中的核心容器。

public abstract class AbstractApplicationContext extends DefaultResourceLoader implements ConfigurableApplicationContext {

//观察者容器
private final Set<ApplicationListener<?>> applicationListeners = new LinkedHashSet<>();
//被观察者
private ApplicationEventMulticaster applicationEventMulticaster;
} 

在ApplicationContext容器刷新的时候，会初始化一个被观察者，并注册到Spring容器中。

然后，注册各种观察者到被观察者中，形成一对多的依赖。

public abstract class AbstractApplicationContext{

protected void registerListeners() {
    for (ApplicationListener<?> listener : getApplicationListeners()) {
        getApplicationEventMulticaster().addApplicationListener(listener);
    }
    String[] listenerBeanNames = getBeanNamesForType(ApplicationListener.class, true, false);
    for (String listenerBeanName : listenerBeanNames) {
        getApplicationEventMulticaster().addApplicationListenerBean(listenerBeanName);
    }
    Set<ApplicationEvent> earlyEventsToProcess = this.earlyApplicationEvents;
    this.earlyApplicationEvents = null;
    if (earlyEventsToProcess != null) {
        for (ApplicationEvent earlyEvent : earlyEventsToProcess) {
            getApplicationEventMulticaster().multicastEvent(earlyEvent);
        }
    }
}
} 

这时候，我们自定义的观察者对象也被注册到了applicationEventMulticaster里面。

最后，当ApplicationContext完成刷新后，则发布ContextRefreshedEvent事件。

protected void finishRefresh() {
publishEvent(new ContextRefreshedEvent(this));
} 

通知观察者，调用ApplicationListener.onApplicationEvent()。

private void doInvokeListener(ApplicationListener listener, ApplicationEvent event) {
listener.onApplicationEvent(event);
} 

接下来我们再看看在Dubbo是如何应用这一机制的。

Dubbo服务导出过程始于 Spring 容器发布刷新事件，Dubbo 在接收到事件后，会立即执行服务导出逻辑。

public class ServiceBean<T> extends ServiceConfig<T> implements InitializingBean, DisposableBean,
    ApplicationContextAware, ApplicationListener<ContextRefreshedEvent>, BeanNameAware,
    ApplicationEventPublisherAware {

@Override
public void onApplicationEvent(ContextRefreshedEvent event) {
    if (!isExported() && !isUnexported()) {
        if (logger.isInfoEnabled()) {
            logger.info("The service ready on spring started. service: " + getInterface());
        }
        export();
    }
}
} 

我们看到，Dubbo中的ServiceBean也实现了ApplicationListener接口，在Spring容器发布刷新事件之后就会执行导出方法。我们重点关注，在Dubbo执行完导出之后，它也发布了一个事件。

public class ServiceBean<T>{

public void export() {
    super.export();
    publishExportEvent();
}
private void publishExportEvent() {
    ServiceBeanExportedEvent exportEvent = new ServiceBeanExportedEvent(this);
    applicationEventPublisher.publishEvent(exportEvent);
}
} 

ServiceBeanExportedEvent，服务导出事件，需要继承Spring中的事件对象ApplicationEvent。

public class ServiceBeanExportedEvent extends ApplicationEvent {
public ServiceBeanExportedEvent(ServiceBean serviceBean) {
    super(serviceBean);
}
public ServiceBean getServiceBean() {
    return (ServiceBean) super.getSource();
}
} 

然后我们自定义一个ApplicationListener，也就是观察者，就可以监听到Dubbo服务接口导出事件了。

@Component
public class ServiceBeanListener implements ApplicationListener<ServiceBeanExportedEvent> {
@Override
public void onApplicationEvent(ServiceBeanExportedEvent event) {
    ServiceBean serviceBean = event.getServiceBean();
    String beanName = serviceBean.getBeanName();
    Service service = serviceBean.getService();
    System.out.println(beanName+":"+service);
}
} 

十一、命令模式

命令模式是一种行为设计模式，它可将请求转换为一个包含与请求相关的所有信息的独立对象。该转换让你能根据不同的请求将方法参数化、延迟请求执行或将其放入队列中，且能实现可撤销操作。

Hystrix是Netflix开源的一款容错框架，具有自我保护能力。可以阻止故障的连锁反应，快速失败和优雅降级。

它用一个HystrixCommand或者HystrixObservableCommand包装所有对外部系统/依赖的调用，每个命令在单独线程中/信号授权下执行。这正是命令模式的典型应用。

我们来看一个Hystrix应用的例子。

首先，我们需要创建一个具体的命令类，通过构造函数传递接收者对象。

public class OrderServiceHystrixCommand extends HystrixCommand<Object> {

//接收者，处理业务逻辑
private OrderService orderService;

public OrderServiceHystrixCommand(OrderService orderService) {
    super(setter());
    this.orderService = orderService;
}
//设置Hystrix相关参数
public static Setter setter() {
    HystrixCommandGroupKey groupKey = HystrixCommandGroupKey.Factory.asKey("orderGroup");
    HystrixCommandKey commandKey = HystrixCommandKey.Factory.asKey("orderService");
    HystrixThreadPoolProperties.Setter threadPoolProperties = HystrixThreadPoolProperties.Setter().withCoreSize(1)
            .withQueueSizeRejectionThreshold(1);
    HystrixCommandProperties.Setter commandProperties = HystrixCommandProperties.Setter();
    return Setter.withGroupKey(groupKey)
            .andCommandKey(commandKey)
            .andThreadPoolPropertiesDefaults(threadPoolProperties)
            .andCommandPropertiesDefaults(commandProperties);

}
@Override
protected Object run() throws InterruptedException {
    Thread.sleep(500);
    return orderService.orders();
}
@Override
protected Object getFallback() {
    System.out.println("-------------------------------");
    return new ArrayList();
}
} 

然后，在客户端调用的时候，创建这个命令类并执行即可。

@RestController
public class OrderController {

@Autowired
OrderService orderService;

@RequestMapping("/orders")
public Object orders(){
    OrderServiceHystrixCommand command = new OrderServiceHystrixCommand(orderService);
    return command.execute();
}
} 

看上去，命令模式和策略模式有些相像，它们都可以通过某些行为来参数化对象。但它们的思想有很大区别。

比如说我们可以使用命令来将任何操作转换为对象，操作的参数将成为对象的成员变量。同样的，我们也可以对请求做任何操作，比如延迟执行，记录日志，保存历史命令等。

而策略模式侧重点在于描述完成某件事的不同方式，让你能够在同一个上下文类中切换算法。

总结

本文重点介绍了设计模式在不同框架中的实现，以期让大家更好地理解模式背后的思想和应用场景。欢迎有不同想法的朋友，留言探讨~