设计模式：责任链模式的应用场景及源码应用

news2024/11/18 9:32:00

一、概述

责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）是将链中每一个节点看作是一个对象，每个节点处理的请求均不同，且内部自动维护一个下一节点对象。当一个请求从链式的首端发出时，会沿着链的路径依次传递给每一个节点对象，直至有对象处理这个请求为止，属于行为型模式。就像一场足球比赛，通过层层传递，最终射门。

责任链模式的应用场景

  1. 多个对象可以处理一个请求，但具体由哪个对象处理该请求在运行时自动确定。
  2. 可动态指定一组对象处理请求，或添加新的处理者。
  3. 需要在不明确指定请求处理者的情况下，向多个处理者中的一个提交请求。

设计模式只是帮助减少代码的复杂性，让其满足开闭原则，提高代码的扩展性。如果不使用同样可以完成需求。

假设业务场景是这样的，我们 系统处在一个下游服务，因为业务需求，系统中所使用的 基础数据需要从上游中台同步到系统数据库

基础数据包含了很多类型数据，虽然数据在中台会有一定验证，但是 数据只要是人为录入就极可能存在问题，遵从对上游系统不信任原则，需要对数据接收时进行一系列校验

最初是要进行一系列验证原则才能入库的，后来因为工期问题只放了一套非空验证，趁着春节期间时间还算宽裕，把这套验证规则骨架放进去

从我们系统的接入数据规则而言，个人觉得需要支持以下几套规则

  1. 必填项校验，如果数据无法满足业务所必须字段要求，数据一旦落入库中就会产生一系列问题
  2. 非法字符校验，因为数据如何录入，上游系统的录入规则是什么样的我们都不清楚，这一项规则也是必须的
  3. 长度校验，理由同上，如果系统某字段长度限制 50，但是接入来的数据 500长度，这也会造成问题

如果不使用责任链模式，上面说的真实同步场景面临两个问题

  1. 如果把上述说的代码逻辑校验规则写到一起，毫无疑问这个类或者说这个方法函数奇大无比。减少代码复杂性一贯方法是：将大块代码逻辑拆分成函数，将大类拆分成小类，是应对代码复杂性的常用方法。如果此时说：可以把不同的校验规则拆分成不同的函数，不同的类，这样不也可以满足减少代码复杂性的要求么。这样拆分是能解决代码复杂性，但是这样就会面临第二个问题
  2. 开闭原则：添加一个新的功能应该是，在已有代码基础上扩展代码，而非修改已有代码。大家设想一下，假设你写了三套校验规则，运行过一段时间，这时候领导让加第四套，是不是要在原有代码上改动

综上所述，在合适的场景运用适合的设计模式，能够让代码设计复杂性降低，变得更为健壮。朝更远的说也能让自己的编码设计能力有所提高。

优点

  1. 将请求与处理解耦。
  2. 请求处理者（节点对象）只需要关注自己感兴趣的请求进行处理即可，对于不感兴趣的请求，转发给下一个节点。
  3. 具备链式传递处理请求功能，请求发送者无需知晓链路结构，只需等待请求处理结果。
  4. 链路结构灵活，可以通过改变链路的结构动态的新增或删减责任。
  5. 易于扩展新的请求处理类（节点），符合开闭原则。

缺点

  1. 责任链太长或者处理时间过长，会影响整体性能。
  2. 如果节点对象存在循环引用时，会造成死循环，导致系统崩溃。

二、入门案例

2.1 类图

 

《Java面试+学习》全家桶合集录

2.2 基础类介绍

抽象接口RequestHandler

public interface RequestHandler {

    void doHandler(String req);
}

抽象类BaseRequestHandler

public abstract class BaseRequestHandler implements RequestHandler {

    protected RequestHandler next;

    public void next(RequestHandler next) {
        this.next = next;
    }
}

具体处理类AHandler

public class AHandler extends BaseRequestHandler {

    @Override
    public void doHandler(String req) {
        // 处理自己的业务逻辑
        System.out.println("A中处理自己的逻辑");
        // 传递给下个类（若链路中还有下个处理类）
        if (next != null) {
            next.doHandler(req);
        }
    }
}

当然还有具体的处理类B、C等等，这里不展开赘述。 使用类Client

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        BaseRequestHandler a = new AHandler();
        BaseRequestHandler b = new BHandler();
        BaseRequestHandler c = new CHandler();
        a.next(b);
        b.next(c);
        a.doHandler("链路待处理的数据");
    }
}

2.3 处理流程图

三、应用场景

3.1 场景举例

场景一

金融业务其中就有一个业务场景：一笔订单进来，会先在后台通过初审人员进行审批，初审不通过，订单流程结束。初审通过以后，会转给终审人员进行审批，不通过，流程结束；通过，流转到下个业务场景。 对于这块业务代码，一套if-else干到底。后来，技术老大CodeReview，点名要求改掉这块。（当然，比较复杂的情况，还是可以用工作流来处理这个场景）。

场景二

有的公司业务会调用我们接口，将数据同步过来。同样，我们需要将处理好的数据，传给他们。由于双方传输数据都是加密传输，所以在接受他们数据之前，需要对数据进行解密，验签，参数校验等操作。同样，我们给他们传数据也需要进行加签，加密操作。

具体案例

对于场景二，我们结合代码一起探讨一下。 1、一切从注解开始，我这里自定义了一个注解@Duty,这个注解有spring的@Component注解，也就是标记了这个自定义注解的类，都是交给spring的bean容器去管理。 注解中，有两个属性：1.type，定义相同的type类型的bean，会被放到一个责任链集合中。2.order，同一个责任链集合中，bean的排序，数值越小，会放到链路最先的位置，优先处理。

@Target({ElementType.TYPE})
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Documented
@Inherited
@Service
public @interface Duty {
    /**
     * 标记具体业务场景
     * @return
     */
    String type() default "";

    /**
     * 排序：数值越小，排序越前
     * @return
     */
    int order() default 0;
}

2、定义一个顶层的抽象接口IHandler，传入2个泛型参数，供后续自定义。

public interface IHandler<T, R> {
    /**
     * 抽象处理类
     * @param t
     * @return
     */
    R handle(T t);
}

3、定义一个责任链bean的管理类HandleChainManager，用来存放不同业务下的责任链路集合。在该类中，有一个Map和两个方法。

  1. handleMap：这个map会存放责任链路中，具体的执行类，key是注解@Duty中定义的type值，value是标记了@Duty注解的bean集合，也就是具体的执行类集合。
  2. setHandleMap：传入具体执行bean的集合，存放在map中。
  3. executeHandle：从map中找到具体的执行bean集合，并依次执行。
public class HandleChainManager {
    /**
     * 存放责任链路上的具体处理类
     * k-具体业务场景名称
     * v-具体业务场景下的责任链路集合
     */
    private Map<String, List<IHandler>> handleMap;

    /**
     * 存放系统中责任链具体处理类
     * @param handlerList
     */
    public void setHandleMap(List<IHandler> handlerList) {
        handleMap = handlerList
                .stream()
                .sorted(Comparator.comparingInt(h -> AnnotationUtils.findAnnotation(h.getClass(), Duty.class).order()))
                .collect(Collectors.groupingBy(handler -> AnnotationUtils.findAnnotation(handler.getClass(), Duty.class).type()));
    }

    /**
     * 执行具体业务场景中的责任链集合
     * @param type 对应@Duty注解中的type，可以定义为具体业务场景
     * @param t 被执行的参数
     */
    public <T, R> R executeHandle(String type, T t) {
        List<IHandler> handlers = handleMap.get(type);
        R r = null;
        if (CollectionUtil.isNotEmpty(handlers)) {
            for (IHandler<T, R> handler : handlers) {
               r = handler.handle(t);
            }
        }
        return r;
    }
}

4、定义一个配置类PatternConfiguration，用于装配上面的责任链管理器HandleChainManager。

@Configuration
public class PatternConfiguration {

    @Bean
    public HandleChainManager handlerChainExecute(List<IHandler> handlers) {
        HandleChainManager handleChainManager = new HandleChainManager();
        handleChainManager.setHandleMap(handlers);
        return handleChainManager;
    }

}

5、具体的处理类：SignChainHandler、EncryptionChainHandler、RequestChainHandler，这里我以SignChainHandler为例。 在具体处理类上标记自定义注解@Duty，该类会被注入到bean容器中，实现IHandler接口，只需关心自己的handle方法，处理具体的业务逻辑。

@Duty(type = BusinessConstants.REQUEST, order = 1)
public class SignChainHandler implements IHandler<String, String> {
    /**
     * 处理加签逻辑
     * @param s
     * @return
     */
    @Override
    public String handle(String s) {
        // 加签逻辑
        System.out.println("甲方爸爸要求加签");
        return "加签";
    }
}

6、具体怎么调用？这里我写了个测试controller直接调用，具体如下：

@RestController
@Slf4j
public class TestController {

    @Resource
    private HandleChainManager handleChainManager;

    @PostMapping("/send")
    public String duty(@RequestBody String requestBody) {
        String response = handleChainManager.executeHandle(BusinessConstants.REQUEST, requestBody);
        return response;
    }
}

7、执行结果，会按照注解中标记的order依次执行。

 

至此，完工。又可以开心的撸代码了，然后在具体的执行类中，又是一顿if-else。。。

四、源码中运用

4.1Mybatis源码中的运用

Mybatis中的缓存接口Cache，cache作为一个缓存接口，最主要的功能就是添加和获取缓存的功能，作为接口它有11个实现类，分别实现不同的功能，下面是接口源码和实现类。

package org.apache.ibatis.cache;

import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock;

public interface Cache {
    String getId();

    void putObject(Object var1, Object var2);

    Object getObject(Object var1);

    Object removeObject(Object var1);

    void clear();

    int getSize();

    default ReadWriteLock getReadWriteLock() {
        return null;
    }
}

 

下面，我们来看下其中一个子类LoggingCache的源码。主要看他的putObject方法和getObject方法，它在方法中直接传给下一个实现去执行。这个实现类其实是为了在获取缓存的时候打印缓存的命中率的。

public class LoggingCache implements Cache {
    private final Log log;
    private final Cache delegate;
    protected int requests = 0;
    protected int hits = 0;

    public LoggingCache(Cache delegate) {
        this.delegate = delegate;
        this.log = LogFactory.getLog(this.getId());
    }

    // ...
    public void putObject(Object key, Object object) {
        this.delegate.putObject(key, object);
    }

    public Object getObject(Object key) {
        ++this.requests;
        Object value = this.delegate.getObject(key);
        if (value != null) {
            ++this.hits;
        }

        if (this.log.isDebugEnabled()) {
            this.log.debug("Cache Hit Ratio [" + this.getId() + "]: " + this.getHitRatio());
        }

        return value;
    }
    // ...
}

最后，经过Cache接口各种实现类的处理，最终会到达PerpetualCache这个实现类。与之前的处理类不同的是，这个类中有一个map，在map中做存取，也就是说，最终缓存还是会保存在map中的。

public class PerpetualCache implements Cache {
    private final String id;
    private final Map<Object, Object> cache = new HashMap();

    public PerpetualCache(String id) {
        this.id = id;
    }

    // ...

    public void putObject(Object key, Object value) {
        this.cache.put(key, value);
    }

    public Object getObject(Object key) {
        return this.cache.get(key);
    }
    // ...

}

4.2spring源码中的运用

4.2.1DispatcherServlet类

DispatcherServlet 核心方法 doDispatch。HandlerExecutionChain只是维护HandlerInterceptor的集合，可以向其中注册相应的拦截器，本身不直接处理请求，将请求分配给责任链上注册处理器执行，降低职责链本身与处理逻辑之间的耦合程度。

protected void doDispatch(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws Exception {
        HttpServletRequest processedRequest = request;
        HandlerExecutionChain mappedHandler = null;
        boolean multipartRequestParsed = false;
        WebAsyncManager asyncManager = WebAsyncUtils.getAsyncManager(request);
        try {
            ModelAndView mv = null;
            Exception dispatchException = null;
            try {
                processedRequest = checkMultipart(request);
                multipartRequestParsed = (processedRequest != request);
                // Determine handler for the current request.
                mappedHandler = getHandler(processedRequest);
                if (mappedHandler == null) {
                    noHandlerFound(processedRequest, response);
                    return;
                }
                // Determine handler adapter for the current request.
                HandlerAdapter ha = getHandlerAdapter(mappedHandler.getHandler());
                // Process last-modified header, if supported by the handler.
                String method = request.getMethod();
                boolean isGet = "GET".equals(method);
                if (isGet || "HEAD".equals(method)) {
                    long lastModified = ha.getLastModified(request, mappedHandler.getHandler());
                    if (new ServletWebRequest(request, response).checkNotModified(lastModified) && isGet) {
                        return;
                    }
                }
                if (!mappedHandler.applyPreHandle(processedRequest, response)) {
                    return;
                }
                // Actually invoke the handler.
                mv = ha.handle(processedRequest, response, mappedHandler.getHandler());
                if (asyncManager.isConcurrentHandlingStarted()) {
                    return;
                }
                applyDefaultViewName(processedRequest, mv);
                mappedHandler.applyPostHandle(processedRequest, response, mv);
            }
            catch (Exception ex) {
                dispatchException = ex;
            }
            catch (Throwable err) {
                // As of 4.3, we're processing Errors thrown from handler methods as well,
                // making them available for @ExceptionHandler methods and other scenarios.
                dispatchException = new NestedServletException("Handler dispatch failed", err);
            }
            processDispatchResult(processedRequest, response, mappedHandler, mv, dispatchException);
        }
        catch (Exception ex) {
            triggerAfterCompletion(processedRequest, response, mappedHandler, ex);
        }
        catch (Throwable err) {
            triggerAfterCompletion(processedRequest, response, mappedHandler,
                    new NestedServletException("Handler processing failed", err));
        }
        finally {
            if (asyncManager.isConcurrentHandlingStarted()) {
                // Instead of postHandle and afterCompletion
                if (mappedHandler != null) {
                    mappedHandler.applyAfterConcurrentHandlingStarted(processedRequest, response);
                }
            }
            else {
                // Clean up any resources used by a multipart request.
                if (multipartRequestParsed) {
                    cleanupMultipart(processedRequest);
                }
            }
        }
    }

4.2.2HandlerExecutionChain类

这里分析的几个方法，都是从DispatcherServlet类的doDispatch方法中请求的。

  • 获取拦截器，执行preHandle方法
boolean applyPreHandle(HttpServletRequest request, 
                       HttpServletResponse response) throws Exception {
    HandlerInterceptor[] interceptors = this.getInterceptors();
    if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
        for(int i = 0; i < interceptors.length; this.interceptorIndex = i++) {
            HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
            if (!interceptor.preHandle(request, response, this.handler)) {
                this.triggerAfterCompletion(request, response, (Exception)null);
                return false;
            }
        }
    }
    return true;
}
  • 在applyPreHandle方法中，执行triggerAfterCompletion方法
void triggerAfterCompletion(HttpServletRequest request, 
                            HttpServletResponse response, Exception ex) throws Exception {
    HandlerInterceptor[] interceptors = this.getInterceptors();
    if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
        for(int i = this.interceptorIndex; i >= 0; --i) {
            HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
            try {
                interceptor.afterCompletion(request, response, this.handler, ex);
            } catch (Throwable var8) {
                logger.error("HandlerInterceptor.afterCompletion threw exception", var8);
            }
        }
    }
}
  • 获取拦截器，执行applyPostHandle方法
void applyPostHandle(HttpServletRequest request, 
                     HttpServletResponse response, ModelAndView mv) 
                     throws Exception {
    HandlerInterceptor[] interceptors = this.getInterceptors();
    if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
        for(int i = interceptors.length - 1; i >= 0; --i) {
            HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
            interceptor.postHandle(request, response, this.handler, mv);
        }
    }
}

五、代码示例

员工在OA系统中提交请假申请，首先项目经理处理，他能审批3天以内的假期，如果大于3天，则由项目经理则转交给总经理处理。接下来我们用责任链模式实现这个过程。

1、封装请假信息实体类

public class LeaveRequest {
    private String name;    // 请假人姓名
    private int numOfDays;  // 请假天数
    private int workingAge;  //员工工龄(在公司大于2年则总经理会审批)
   //省略get..set..
}

2、抽象处理者类 Handler，维护一个nextHandler属性，该属性为当前处理者的下一个处理者的引用；

声明了抽象方法process，其实在这里也用了方法模板模式：

public abstract class ApproveHandler {

    protected  ApproveHandler nextHandler;//下一个处理者(与类一致,这段代码很重要)

    public void setNextHandler(ApproveHandler approveHandler){
        this.nextHandler=approveHandler;
    }

    public abstract void process(LeaveRequest leaveRequest); // 处理请假(这里用了模板方法模式)

}

3、项目经理处理者，能处理小于3天的假期，而请假信息里没有名字时，审批不通过：

public class PMHandler extends ApproveHandler{

    @Override
    public void process(LeaveRequest leaveRequest) {
        //未填写姓名的请假单不通过
        if(null != leaveRequest.getName()){
            if(leaveRequest.getNumOfDays() <= 3){
                System.out.println(leaveRequest.getName()+",你通过项目经理审批!");
            }else {
                System.out.println("项目经理转交总经理");
                if(null != nextHandler){
                    nextHandler.process(leaveRequest);
                }
            }
        }else {
            System.out.println("请假单未填写完整,未通过项目经理审批!");
            return;
        }
    }
}

4、总经理处理者，能处理大于3天的假期，且工龄超过2年才会审批通过：

public class GMHandler extends ApproveHandler{

    @Override
    public void process(LeaveRequest leaveRequest) {
        //员工在公司工龄超过2年,则审批通过
        if(leaveRequest.getWorkingAge() >=2 && leaveRequest.getNumOfDays() > 3){
            System.out.println(leaveRequest.getName()+",你通过总经理审批!");
            if(null != nextHandler){
                nextHandler.process(leaveRequest);
            }
        }else {
            System.out.println("在公司年限不够,长假未通过总经理审批!");
            return;
        }
    }
}

实例代码完成，我们测试一下：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        PMHandler pm = new PMHandler();
        GMHandler gm = new GMHandler();

        LeaveRequest leaveRequest = new LeaveRequest();
        leaveRequest.setName("张三");
        leaveRequest.setNumOfDays(4);//请假4天
        leaveRequest.setWorkingAge(3);//工龄3年

        pm.setNextHandler(gm);//设置传递顺序
        pm.process(leaveRequest);
    }
}

运行结果：

项目经理转交总经理 张三,你通过总经理审批!

六、源码中的典型应用

源码中的典型应用：

  1. Netty 中的 Pipeline和ChannelHandler通过责任链设计模式来组织代码逻辑。
  2. Spring Security 使用责任链模式，可以动态地添加或删除责任（处理 request 请求）。
  3. Spring AOP 通过责任链模式来管理 Advisor。
  4. Dubbo Filter 过滤器链也是用了责任链模式（链表），可以对方法调用做一些过滤处理，譬如超时(TimeoutFilter)，异常(ExceptionFilter)，Token(TokenFilter)等。
  5. Mybatis 中的 Plugin 机制使用了责任链模式，配置各种官方或者自定义的 Plugin，与 Filter 类似，可以在执行 Sql 语句的时候做一些操作。
  6. Tomcat 调用 ApplicationFilterFactory过滤器链。

spring安全框架security使用责任链模式

spring安全框架security使用责任链模式，框架使用者可以动态地添加删除责任（处理request请求）。

UML 类图

 

活动图：

 

源码解析：currentPosition表示责任链的要处理请求链条节点的位置，使用additionalFilters来依次处理request请求。additionalFilters中的每个Filter成员都承担某一项具体职责，并且每个Filter都会被执行到。 责任链条的成员执行完自己的职责后，会回调链条的处理请求方法，责任链条会找到下一个链条成员来执行职责，直到链条尾端。

private static class VirtualFilterChain implements FilterChain {
  private final FilterChain originalChain;      //链条中的节点全部执行完后，处理request请求的对象
  private final List<Filter> additionalFilters; //请求实际执行者，
  private final FirewalledRequest firewalledRequest;
  private final int size;
  private int currentPosition = 0; //链条移动的位置，当currentPosition==size,到达链条的尾端。
  private VirtualFilterChain(FirewalledRequest firewalledRequest,
    FilterChain chain, List<Filter> additionalFilters) {
   this.originalChain = chain;
   this.additionalFilters = additionalFilters;
   this.size = additionalFilters.size();
   this.firewalledRequest = firewalledRequest;
  }

  public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response)
    throws IOException, ServletException {
   if (currentPosition == size) { //到达链条尾端
    if (logger.isDebugEnabled()) {
     logger.debug(UrlUtils.buildRequestUrl(firewalledRequest)
       + " reached end of additional filter chain; proceeding with original chain");
    }

    // Deactivate path stripping as we exit the security filter chain
    this.firewalledRequest.reset();

    originalChain.doFilter(request, response);
   }
   else {
    currentPosition++; //依次移动链条指针到具体节点

    Filter nextFilter = additionalFilters.get(currentPosition - 1);

    if (logger.isDebugEnabled()) {
     logger.debug(UrlUtils.buildRequestUrl(firewalledRequest)
       + " at position " + currentPosition + " of " + size
       + " in additional filter chain; firing Filter: '"
       + nextFilter.getClass().getSimpleName() + "'");
    }

    nextFilter.doFilter(request, response, this);//将链条本身的对象传递给链条成员
   }
  }
 }

链条成员Filter会执行chain.doFilter(request, response )方法，而chain是链条本身的引用，这样成员就将请求又重新交给了链条。看SecurityContextHolderAwareRequestFilter源码：

public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain)
      throws IOException, ServletException {
   chain.doFilter(this.requestFactory.create((HttpServletRequest) req,
         (HttpServletResponse) res), res);
}

七：设计模式重语意

最后说一下需要达成的业务需求。将一个批量数据经过处理器链的处理，返回出符合要求的数据分类

 

定义顶级验证接口和一系列处理器实现类没什么难度，但是应该如何进行链式调用呢？

这一块代码需要有一定 Spring 基础才能理解，一起来看下 VerifyHandlerChain 如何将所有处理器串成一条链

 

VerifyHandlerChain 处理流程如下：

  1. 实现自 InitializingBean 接口，在对应实现方法中获取 IOC 容器中类型为 VerifyHandler 的 Bean，也就是 EmptyVerifyHandler、SexyVerifyHandler
  2. 将 VerifyHandler 类型的 Bean 添加到处理器链容器中
  3. 定义校验方法 verify()，对入参数据展开处理器链的全部调用，如果过程中发现已无需要验证的数据，直接返回

这里使用 SpringBoot 项目中默认测试类，来测试一下如何调用

@SpringBootTest
class ChainApplicationTests {

    @Autowired
    private VerifyHandlerChain verifyHandlerChain;

    @Test
    void contextLoads() {
        List<Object> verify = verifyHandlerChain.verify(Lists.newArrayList("源码圈", "@一只阿木木"));
        System.out.println(verify);
    }
}

这样的话，如果客户或者产品提校验相关的需求时，我们只需要实现 VerifyHandler 接口新建个校验规则实现类就 OK 了，这样符合了设计模式的原则：满足开闭原则，提高代码的扩展性

熟悉之前作者写过设计模式的文章应该知道，强调设计模式重语意，而不是具体的实现过程。所以，你看这个咱们这个校验代码，把责任链两种模式结合了使用

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