动态代理

_代理_是基本的设计模式之一。一个对象封装真实对象，代替其提供其他或不同的操作—这些操作通常涉及到与“真实”对象的通信，因此代理通常充当中间对象。这是一个简单的示例，显示代理的结构：

interface Interface {
    void doSomething();

    void somethingElse(String arg);
}

class RealObject implements Interface {
    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("doSomething");
    }

    @Override
    public void somethingElse(String arg) {
        System.out.println("somethingElse " + arg);
    }
}

class SimpleProxy implements Interface {
    private Interface proxied;

    SimpleProxy(Interface proxied) {
        this.proxied = proxied;
    }

    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("SimpleProxy doSomething");
        proxied.doSomething();
    }

    @Override
    public void somethingElse(String arg) {
        System.out.println(
                "SimpleProxy somethingElse " + arg);
        proxied.somethingElse(arg);
    }
}

class SimpleProxyDemo {
    public static void consumer(Interface iface) {
        iface.doSomething();
        iface.somethingElse("bonobo");
    }

    public static void main(String[] args) {
        consumer(new RealObject());
        consumer(new SimpleProxy(new RealObject()));
    }
}

输出结果：

因为 consumer() 接受 Interface，所以它不知道获得的是 RealObject 还是 SimpleProxy，因为两者都实现了 Interface。
但是，在客户端和 RealObject 之间插入的 SimpleProxy 执行操作，然后在 RealObject 上调用相同的方法。

当你希望将额外的操作与“真实对象”做分离时，代理可能会有所帮助，尤其是当你想要轻松地启用额外的操作时，反之亦然（设计模式就是封装变更—所以你必须改变一些东西以证明模式的合理性）。例如，如果你想跟踪对 RealObject 中方法的调用，或衡量此类调用的开销，该怎么办？你不想这部分代码耦合到你的程序中，而代理能使你可以很轻松地添加或删除它。

Java 的_动态代理_更进一步，不仅动态创建代理对象而且动态处理对代理方法的调用。在动态代理上进行的所有调用都被重定向到单个_调用处理程序_，该处理程序负责发现调用的内容并决定如何处理。这是 SimpleProxyDemo.java 使用动态代理重写的例子：

import java.lang.reflect.*;

class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object proxied;

    DynamicProxyHandler(Object proxied) {
        this.proxied = proxied;
    }

    @Override
    public Object
    invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        System.out.println(
                "**** proxy: " + proxy.getClass() +
                        ", method: " + method + ", args: " + args);
        if (args != null) {
            for (Object arg : args) {
                System.out.println("  " + arg);
            }
        }
        return method.invoke(proxied, args);
    }
}

class SimpleDynamicProxy {
    public static void consumer(Interface iface) {
        iface.doSomething();
        iface.somethingElse("bonobo");
    }

    public static void main(String[] args) {
        RealObject real = new RealObject();
        consumer(real);
        // Insert a proxy and call again:
        Interface proxy = (Interface) Proxy.newProxyInstance(
                Interface.class.getClassLoader(),
                new Class[]{Interface.class},
                new DynamicProxyHandler(real));
        consumer(proxy);
    }
}

输出结果：

可以通过调用静态方法 Proxy.newProxyInstance() 来创建动态代理，该方法需要一个类加载器（通常可以从已加载的对象中获取），希望代理实现的接口列表（不是类或抽象类），以及接口 InvocationHandler 的一个实现。动态代理会将所有调用重定向到调用处理程序，因此通常为调用处理程序的构造函数提供对“真实”对象的引用，以便一旦执行中介任务便可以转发请求。

invoke() 方法被传递给代理对象，以防万一你必须区分请求的来源—但是在很多情况下都无需关心。但是，在 invoke() 内的代理上调用方法时要小心，因为接口的调用是通过代理重定向的。

通常执行代理操作，然后使用 Method.invoke() 将请求转发给被代理对象，并携带必要的参数。这在一开始看起来是有限制的，好像你只能执行一般的操作。但是，可以过滤某些方法调用，同时传递其他方法调用：

import java.lang.reflect.*;

class MethodSelector implements InvocationHandler {
    private Object proxied;

    MethodSelector(Object proxied) {
        this.proxied = proxied;
    }

    @Override
    public Object
    invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        if (method.getName().equals("interesting")) {
            System.out.println(
                    "Proxy detected the interesting method");
        }
        return method.invoke(proxied, args);
    }
}

interface SomeMethods {
    void boring1();

    void boring2();

    void interesting(String arg);

    void boring3();
}

class Implementation implements SomeMethods {
    @Override
    public void boring1() {
        System.out.println("boring1");
    }

    @Override
    public void boring2() {
        System.out.println("boring2");
    }

    @Override
    public void interesting(String arg) {
        System.out.println("interesting " + arg);
    }

    @Override
    public void boring3() {
        System.out.println("boring3");
    }
}

class SelectingMethods {
    public static void main(String[] args) {
        SomeMethods proxy =
                (SomeMethods) Proxy.newProxyInstance(
                        SomeMethods.class.getClassLoader(),
                        new Class[]{SomeMethods.class},
                        new MethodSelector(new Implementation()));
        proxy.boring1();
        proxy.boring2();
        proxy.interesting("bonobo");
        proxy.boring3();
    }
}

输出结果：

在这个示例里，我们只是在寻找方法名，但是你也可以寻找方法签名的其他方面，甚至可以搜索特定的参数值。

动态代理不是你每天都会使用的工具，但是它可以很好地解决某些类型的问题。你可以在 Erich Gamma 等人的_设计模式_中了解有关_代理_和其他设计模式的更多信息。

Optional类

如果你使用内置的 null 来表示没有对象，每次使用引用的时候就必须测试一下引用是否为 null，这显得有点枯燥，而且势必会产生相当乏味的代码。问题在于 null 没什么自己的行为，只会在你想用它执行任何操作的时候产生 NullPointException。java.util.Optional（首次出现是在函数式编程这章）为 null 值提供了一个轻量级代理，Optional 对象可以防止你的代码直接抛出 NullPointException。

虽然 Optional 是 Java 8 为了支持流式编程才引入的，但其实它是一个通用的工具。为了证明这点，在本节中，我们会把它用在普通的类中。因为涉及一些运行时检测，所以把这一小节放在了本章。

实际上，在所有地方都使用 Optional 是没有意义的，有时候检查一下是不是 null 也挺好的，或者有时我们可以合理地假设不会出现 null，甚至有时候检查 NullPointException 异常也是可以接受的。Optional 最有用武之地的是在那些“更接近数据”的地方，在问题空间中代表实体的对象上。举个简单的例子，很多系统中都有 Person 类型，代码中有些情况下你可能没有一个实际的 Person 对象（或者可能有，但是你还没用关于那个人的所有信息）。这时，在传统方法下，你会用到一个 null 引用，并且在使用的时候测试它是不是 null。而现在，我们可以使用 Optional：

import java.util.*;

class Person {
    public final Optional<String> first;
    public final Optional<String> last;
    public final Optional<String> address;
    // etc.
    public final Boolean empty;

    Person(String first, String last, String address) {
        this.first = Optional.ofNullable(first);
        this.last = Optional.ofNullable(last);
        this.address = Optional.ofNullable(address);
        empty = !this.first.isPresent()
                && !this.last.isPresent()
                && !this.address.isPresent();
    }

    Person(String first, String last) {
        this(first, last, null);
    }

    Person(String last) {
        this(null, last, null);
    }

    Person() {
        this(null, null, null);
    }

    @Override
    public String toString() {
        if (empty) {
            return "<Empty>";
        }
        return (first.orElse("") +
                " " + last.orElse("") +
                " " + address.orElse("")).trim();
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Person());
        System.out.println(new Person("Smith"));
        System.out.println(new Person("Bob", "Smith"));
        System.out.println(new Person("Bob", "Smith",
                "11 Degree Lane, Frostbite Falls, MN"));
    }
}

输出结果：

Person 的设计有时候又叫“数据传输对象（DTO，data-transfer object）”。注意，所有字段都是 public 和 final 的，所以没有 getter 和 setter 方法。也就是说，Person 是不可变的，你只能通过构造器给它赋值，之后就只能读而不能修改它的值（字符串本身就是不可变的，因此你无法修改字符串的内容，也无法给它的字段重新赋值）。如果你想修改一个 Person，你只能用一个新的 Person 对象来替换它。empty 字段在对象创建的时候被赋值，用于快速判断这个 Person 对象是不是空对象。

如果想使用 Person，就必须使用 Optional 接口才能访问它的 String 字段，这样就不会意外触发 NullPointException 了。

现在假设你已经因你惊人的理念而获得了一大笔风险投资，现在你要招兵买马了，但是在虚位以待时，你可以将 Person Optional 对象放在每个 Position 上：

import java.util.*;

class EmptyTitleException extends RuntimeException {
}

class Position {
    private String title;
    private Person person;

    Position(String jobTitle, Person employee) {
        setTitle(jobTitle);
        setPerson(employee);
    }

    Position(String jobTitle) {
        this(jobTitle, null);
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public void setTitle(String newTitle) {
        // Throws EmptyTitleException if newTitle is null:
        title = Optional.ofNullable(newTitle)
                .orElseThrow(EmptyTitleException::new);
    }

    public Person getPerson() {
        return person;
    }

    public void setPerson(Person newPerson) {
        // Uses empty Person if newPerson is null:
        person = Optional.ofNullable(newPerson)
                .orElse(new Person());
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Position: " + title +
                ", Employee: " + person;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new Position("CEO"));
        System.out.println(new Position("Programmer",
                new Person("Arthur", "Fonzarelli")));
        try {
            new Position(null);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println("caught " + e);
        }
    }
}

输出结果：

这里使用 Optional 的方式不太一样。请注意，title 和 person 都是普通字段，不受 Optional 的保护。但是，修改这些字段的唯一途径是调用 setTitle() 和 setPerson() 方法，这两个都借助 Optional 对字段进行了严格的限制。

同时，我们想保证 title 字段永远不会变成 null 值。为此，我们可以自己在 setTitle() 方法里边检查参数 newTitle 的值。但其实还有更好的做法，函数式编程一大优势就是可以让我们重用经过验证的功能（即便是个很小的功能），以减少自己手动编写代码可能产生的一些小错误。所以在这里，我们用 ofNullable() 把 newTitle 转换一个 Optional（如果传入的值为 null，ofNullable() 返回的将是 Optional.empty()）。紧接着我们调用了 orElseThrow() 方法，所以如果 newTitle 的值是 null，你将会得到一个异常。这里我们并没有把 title 保存成 Optional，但通过应用 Optional 的功能，我们仍然如愿以偿地对这个字段施加了约束。

EmptyTitleException 是一个 RuntimeException，因为它意味着程序存在错误。在这个方案里边，你仍然可能会得到一个异常。但不同的是，在错误产生的那一刻（向 setTitle() 传 null 值时）就会抛出异常，而不是发生在其它时刻，需要你通过调试才能发现问题所在。另外，使用 EmptyTitleException 还有助于定位 BUG。

Person 字段的限制又不太一样：如果你把它的值设为 null，程序会自动把将它赋值成一个空的 Person 对象。先前我们也用过类似的方法把字段转换成 Optional，但这里我们是在返回结果的时候使用 orElse(new Person()) 插入一个空的 Person 对象替代了 null。

在 Position 里边，我们没有创建一个表示“空”的标志位或者方法，因为 person 字段的 Person 对象为空，就表示这个 Position 是个空缺位置。之后，你可能会发现你必须添加一个显式的表示“空位”的方法，但是正如 YAGNI (You Aren’t Going to Need It，你永远不需要它)所言，在初稿时“实现尽最大可能的简单”，直到程序在某些方面要求你为其添加一些额外的特性，而不是假设这是必要的。

请注意，虽然你清楚你使用了 Optional，可以免受 NullPointerExceptions 的困扰，但是 Staff 类却对此毫不知情。

import java.util.*;

public class Staff extends ArrayList<Position> {
    public void add(String title, Person person) {
        add(new Position(title, person));
    }

    public void add(String... titles) {
        for (String title : titles) {
            add(new Position(title));
        }
    }

    public Staff(String... titles) {
        add(titles);
    }

    public Boolean positionAvailable(String title) {
        for (Position position : this) {
            if (position.getTitle().equals(title) &&
                    position.getPerson().empty) {
                return true;
            }
        }
        return false;
    }

    public void fillPosition(String title, Person hire) {
        for (Position position : this) {
            if (position.getTitle().equals(title) &&
                    position.getPerson().empty) {
                position.setPerson(hire);
                return;
            }
        }
        throw new RuntimeException(
                "Position " + title + " not available");
    }

    public static void main(String[] args) {
        Staff staff = new Staff("President", "CTO",
                "Marketing Manager", "Product Manager",
                "Project Lead", "Software Engineer",
                "Software Engineer", "Software Engineer",
                "Software Engineer", "Test Engineer",
                "Technical Writer");
        staff.fillPosition("President",
                new Person("Me", "Last", "The Top, Lonely At"));
        staff.fillPosition("Project Lead",
                new Person("Janet", "Planner", "The Burbs"));
        if (staff.positionAvailable("Software Engineer")) {
            staff.fillPosition("Software Engineer",
                    new Person(
                            "Bob", "Coder", "Bright Light City"));
        }
        System.out.println(staff);
    }
}

输出结果：

注意，在有些地方你可能还是要测试引用是不是 Optional，这跟检查是否为 null 没什么不同。但是在其它地方（例如本例中的 toString() 转换），你就不必执行额外的测试了，而可以直接假设所有对象都是有效的。

标记接口

有时候使用一个标记接口来表示空值会更方便。标记接口里边什么都没有，你只要把它的名字当做标签来用就可以。

// onjava/Null.java
package onjava;
public interface Null {}

如果你用接口取代具体类，那么就可以使用 DynamicProxy 来自动地创建 Null 对象。假设我们有一个 Robot 接口，它定义了一个名字、一个模型和一个描述 Robot 行为能力的 List<Operation>：

import java.util.*;

public interface Robot {
    String name();

    String model();

    List<Operation> operations();

    static void test(Robot r) {
        if (r instanceof Null) {
            System.out.println("[Null Robot]");
        }
        System.out.println("Robot name: " + r.name());
        System.out.println("Robot model: " + r.model());
        for (Operation operation : r.operations()) {
            System.out.println(operation.description.get());
            operation.command.run();
        }
    }
}

你可以通过调用 operations() 来访问 Robot 的服务。Robot 里边还有一个 static 方法来执行测试。

Operation 包含一个描述和一个命令（这用到了命令模式）。它们被定义成函数式接口的引用，所以可以把 lambda 表达式或者方法的引用传给 Operation 的构造器：

import java.util.function.*;

public class Operation {
    public final Supplier<String> description;
    public final Runnable command;

    public Operation(Supplier<String> descr, Runnable cmd) {
        description = descr;
        command = cmd;
    }
}

现在我们可以创建一个扫雪 Robot：

import java.util.*;

public class SnowRemovalRobot implements Robot {
    private String name;

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

    @Override
    public String name() {
        return name;
    }

    @Override
    public String model() {
        return "SnowBot Series 11";
    }

    private List<Operation> ops = Arrays.asList(
            new Operation(
                    () -> name + " can shovel snow",
                    () -> System.out.println(
                            name + " shoveling snow")),
            new Operation(
                    () -> name + " can chip ice",
                    () -> System.out.println(name + " chipping ice")),
            new Operation(
                    () -> name + " can clear the roof",
                    () -> System.out.println(
                            name + " clearing roof")));

    @Override
    public List<Operation> operations() {
        return ops;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Robot.test(new SnowRemovalRobot("Slusher"));
    }
}

输出结果：

假设存在许多不同类型的 Robot，我们想让每种 Robot 都创建一个 Null 对象来执行一些特殊的操作——在本例中，即提供 Null 对象所代表 Robot 的确切类型信息。这些信息是通过动态代理捕获的：

import java.lang.reflect.*;
import java.util.*;
import java.util.stream.*;

class NullRobotProxyHandler implements InvocationHandler {
    private String nullName;
    private Robot proxied = new NRobot();

    NullRobotProxyHandler(Class<? extends Robot> type) {
        nullName = type.getSimpleName() + " NullRobot";
    }

    private class NRobot implements Null, Robot {
        @Override
        public String name() {
            return nullName;
        }

        @Override
        public String model() {
            return nullName;
        }

        @Override
        public List<Operation> operations() {
            return Collections.emptyList();
        }
    }

    @Override
    public Object
    invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)
            throws Throwable {
        return method.invoke(proxied, args);
    }
}

public class NullRobot {
    public static Robot
    newNullRobot(Class<? extends Robot> type) {
        return (Robot) Proxy.newProxyInstance(
                NullRobot.class.getClassLoader(),
                new Class[]{Null.class, Robot.class},
                new NullRobotProxyHandler(type));
    }

    public static void main(String[] args) {
        Stream.of(
                new SnowRemovalRobot("SnowBee"),
                newNullRobot(SnowRemovalRobot.class)
        ).forEach(Robot::test);
    }
}

输出结果：

无论何时，如果你需要一个空 Robot 对象，只需要调用 newNullRobot()，并传递需要代理的 Robot 的类型。这个代理满足了 Robot 和 Null 接口的需要，并提供了它所代理的类型的确切名字。

Mock 对象和桩

Mock 对象和 **桩（Stub）**在逻辑上都是 Optional 的变体。他们都是最终程序中所使用的“实际”对象的代理。不过，Mock 对象和桩都是假扮成那些可以传递实际信息的实际对象，而不是像 Optional 那样把包含潜在 null 值的对象隐藏。

Mock 对象和桩之间的的差别在于程度不同。Mock 对象往往是轻量级的，且用于自测试。通常，为了处理各种不同的测试场景，我们会创建出很多 Mock 对象。而桩只是返回桩数据，它通常是重量级的，并且经常在多个测试中被复用。桩可以根据它们被调用的方式，通过配置进行修改。因此，桩是一种复杂对象，它可以做很多事情。至于 Mock 对象，如果你要做很多事，通常会创建大量又小又简单的 Mock 对象。