行为型-Chain-Of-Responsibility

发表于 2021-06-14 分类于设计模式

职责链模式的原理和实现

职责链模式的英文翻译是 Chain Of Responsibility Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》中，它是这么定义的：

Avoid coupling the sender of a request to its receiver by giving more than one object a chance to handle the request. Chain the receiving objects and pass the request along the chain until an object handles it.

翻译成中文就是：将请求的发送和接收解耦，让多个接收对象都有机会处理这个请求。将这些接收对象串成一条链，并沿着这条链传递这个请求，直到链上的某个接收对象能够处理它为止。

职责链模式有多种实现方式，我们这里介绍两种比较常用的。

第一种实现方式如下所示。

public abstract class Handler {
  protected Handler successor = null;

  public void setSuccessor(Handler successor) {
    this.successor = successor;
  }

  public final void handle() {
    boolean handled = doHandle();
    if (successor != null && !handled) {
      successor.handle();
    }
  }

  protected abstract boolean doHandle();
}

public class HandlerA extends Handler {
  @Override
  protected boolean doHandle() {
    boolean handled = false;
    //...
    return handled;
  }
}

public class HandlerB extends Handler {
  @Override
  protected boolean doHandle() {
    boolean handled = false;
    //...
    return handled;
  }
}

public class HandlerChain {
  private Handler head = null;
  private Handler tail = null;

  public void addHandler(Handler handler) {
    handler.setSuccessor(null);

    if (head == null) {
      head = handler;
      tail = handler;
      return;
    }

    tail.setSuccessor(handler);
    tail = handler;
  }

  public void handle() {
    if (head != null) {
      head.handle();
    }
  }
}

// 使用举例
public class Application {
  public static void main(String[] args) {
    HandlerChain chain = new HandlerChain();
    chain.addHandler(new HandlerA());
    chain.addHandler(new HandlerB());
    chain.handle();
  }
}

其中，Handler 是所有处理器类的抽象父类，handle() 是抽象方法。每个具体的处理器类（HandlerA、HandlerB）的 handle() 函数的代码结构类似，如果它能处理该请求，就不继续往下传递；如果不能处理，则交由后面的处理器来处理（也就是调用 successor.handle()）。HandlerChain 是处理器链，从数据结构的角度来看，它就是一个记录了链头、链尾的链表。其中，记录链尾是为了方便添加处理器。

我们再来看第二种实现方式，代码如下所示。这种实现方式更加简单。HandlerChain 类用数组而非链表来保存所有的处理器，并且需要在 HandlerChain 的 handle() 函数中，依次调用每个处理器的 handle() 函数。

public interface IHandler {
  boolean handle();
}

public class HandlerA implements IHandler {
  @Override
  public boolean handle() {
    boolean handled = false;
    //...
    return handled;
  }
}

public class HandlerB implements IHandler {
  @Override
  public boolean handle() {
    boolean handled = false;
    //...
    return handled;
  }
}

public class HandlerChain {
  private List<IHandler> handlers = new ArrayList<>();

  public void addHandler(IHandler handler) {
    this.handlers.add(handler);
  }

  public void handle() {
    for (IHandler handler : handlers) {
      boolean handled = handler.handle();
      if (handled) {
        break;
      }
    }
  }
}

// 使用举例
public class Application {
  public static void main(String[] args) {
    HandlerChain chain = new HandlerChain();
    chain.addHandler(new HandlerA());
    chain.addHandler(new HandlerB());
    chain.handle();
  }
}

在 GoF 给出的定义中，如果处理器链上的某个处理器能够处理这个请求，那就不会继续往下传递请求。实际上，职责链模式还有一种变体，那就是请求会被所有的处理器都处理一遍，不存在中途终止的情况。这种变体也有两种实现方式：用链表存储处理器和用数组存储处理器，跟上面的两种实现方式类似，只需要稍微修改即可。

变体的实现方式一

public abstract class Handler {
  protected Handler successor = null;

  public void setSuccessor(Handler successor) {
    this.successor = successor;
  }

  public final void handle() {
    doHandle();
    if (successor != null) {
      successor.handle();
    }
  }

  protected abstract void doHandle();
}

// 使用举例
public class Application {
  public static void main(String[] args) {
    HandlerChain chain = new HandlerChain();
    chain.addHandler(new HandlerA());
    chain.addHandler(new HandlerB());
    chain.handle();
  }
}

变体的实现方式二


public interface IHandler {
  boolean handle();
}

public class HandlerChain {
  private List<IHandler> handlers = new ArrayList<>();

  public void addHandler(IHandler handler) {
    this.handlers.add(handler);
  }

  public void handle() {
    for (IHandler handler : handlers) {
      handler.handle();
    }
  }
}

重点回顾

在职责链模式中，多个处理器依次处理同一个请求。一个请求先经过 A 处理器处理，然后再把请求传递给 B 处理器，B 处理器处理完后再传递给 C 处理器，以此类推，形成一个链条。链条上的每个处理器各自承担各自的处理职责，所以叫作职责链模式。

在 GoF 的定义中，一旦某个处理器能处理这个请求，就不会继续将请求传递给后续的处理器了。当然，在实际的开发中，也存在对这个模式的变体，那就是请求不会中途终止传递，而是会被所有的处理器都处理一遍。

职责链模式有两种常用的实现。一种是使用链表来存储处理器，另一种是使用数组来存储处理器，后面一种实现方式更加简单。

Servlet Filter 使用了责任链的使用

Servlet Filter 是 Java Servlet 规范中定义的组件，翻译成中文就是过滤器，它可以实现对 HTTP 请求的过滤功能，比如鉴权、限流、记录日志、验证参数等等。因为它是 Servlet 规范的一部分，所以，只要是支持 Servlet 的 Web 容器（比如，Tomcat、Jetty 等），都支持过滤器功能。为了帮助你理解，我画了一张示意图阐述它的工作原理，如下所示。

在实际项目中，我们该如何使用 Servlet Filter 呢？我写了一个简单的示例代码，如下所示。添加一个过滤器，我们只需要定义一个实现 javax.servlet.Filter 接口的过滤器类，并且将它配置在 web.xml 配置文件中。Web 容器启动的时候，会读取 web.xml 中的配置，创建过滤器对象。当有请求到来的时候，会先经过过滤器，然后才由 Servlet 来处理。

在上一节课中，我们讲到，职责链模式的实现包含处理器接口（IHandler）或抽象类（Handler），以及处理器链（HandlerChain）。对应到 Servlet Filter，javax.servlet.Filter 就是处理器接口，FilterChain 就是处理器链。接下来，我们重点来看 FilterChain 是如何实现的。

不过，我们前面也讲过，Servlet 只是一个规范，并不包含具体的实现，所以，Servlet 中的 FilterChain 只是一个接口定义。具体的实现类由遵从 Servlet 规范的 Web 容器来提供，比如，ApplicationFilterChain 类就是 Tomcat 提供的 FilterChain 的实现类，源码如下所示。

为了让代码更易读懂，我对代码进行了简化，只保留了跟设计思路相关的代码片段。完整的代码你可以自行去 Tomcat 中查看。

public final class ApplicationFilterChain implements FilterChain {
  private int pos = 0; //当前执行到了哪个filter
  private int n; //filter的个数
  private ApplicationFilterConfig[] filters;
  private Servlet servlet;
  
  @Override
  public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response) {
    if (pos < n) {
      ApplicationFilterConfig filterConfig = filters[pos++];
      Filter filter = filterConfig.getFilter();
      filter.doFilter(request, response, this);
    } else {
      // filter都处理完毕后，执行servlet
      servlet.service(request, response);
    }
  }
  
  public void addFilter(ApplicationFilterConfig filterConfig) {
    for (ApplicationFilterConfig filter:filters)
      if (filter==filterConfig)
         return;

    if (n == filters.length) {//扩容
      ApplicationFilterConfig[] newFilters = new ApplicationFilterConfig[n + INCREMENT];
      System.arraycopy(filters, 0, newFilters, 0, n);
      filters = newFilters;
    }
    filters[n++] = filterConfig;
  }
}

ApplicationFilterChain 中的 doFilter() 函数的代码实现比较有技巧，实际上是一个递归调用。你可以用每个 Filter（比如 LogFilter）的 doFilter() 的代码实现，直接替换 ApplicationFilterChain 的第 12 行代码，一眼就能看出是递归调用了。我替换了一下，如下所示。

1 2	// filter.doFilter(request, response, this); chain.doFilter(request, response); // chain就是this

Spring Interceptor 责任链的使用

如下所示，LogInterceptor 对请求的拦截在 preHandle() 中实现，对响应的拦截在 postHandle() 中实现。

public class LogInterceptor implements HandlerInterceptor {

  @Override
  public boolean preHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler) throws Exception {
    System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
    return true; // 继续后续的处理
  }

  @Override
  public void postHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, ModelAndView modelAndView) throws Exception {
    System.out.println("拦截发送给客户端的响应.");
  }

  @Override
  public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Object handler, Exception ex) throws Exception {
    System.out.println("这里总是被执行.");
  }
}

//在Spring MVC配置文件中配置interceptors
<mvc:interceptors>
   <mvc:interceptor>
       <mvc:mapping path="/*"/>
       <bean class="com.xzg.cd.LogInterceptor" />
   </mvc:interceptor>
</mvc:interceptors>

它也是基于职责链模式实现的。其中，HandlerExecutionChain 类是职责链模式中的处理器链。它的实现相较于 Tomcat 中的 ApplicationFilterChain 来说，逻辑更加清晰，不需要使用递归来实现，主要是因为它将请求和响应的拦截工作，拆分到了两个函数中实现。HandlerExecutionChain 的源码如下所示，同样，我对代码也进行了一些简化，只保留了关键代码。


public class HandlerExecutionChain {
 private final Object handler;
 private HandlerInterceptor[] interceptors;
 
 public void addInterceptor(HandlerInterceptor interceptor) {
  initInterceptorList().add(interceptor);
 }

 boolean applyPreHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws Exception {
  HandlerInterceptor[] interceptors = getInterceptors();
  if (!ObjectUtils.isEmpty(interceptors)) {
   for (int i = 0; i < interceptors.length; i++) {
    HandlerInterceptor interceptor = interceptors[i];
    if (!interceptor.preHandle(request, response, this.handler)) {
     triggerAfterCompletion(request, response, null);
     return false;
    }
   }
  }
  return true;
 }

 void applyPostHandle(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, ModelAndView mv) throws Exception {
  HandlerInterceptor[] interceptors = 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);
   }
  }
 }

 void triggerAfterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response, Exception ex)
   throws Exception {
  HandlerInterceptor[] interceptors = 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 ex2) {
     logger.error("HandlerInterceptor.afterCompletion threw exception", ex2);
    }
   }
  }
 }
}

在 Spring 框架中，DispatcherServlet 的 doDispatch() 方法来分发请求，它在真正的业务逻辑执行前后，执行 HandlerExecutionChain 中的 applyPreHandle() 和 applyPostHandle() 函数，用来实现拦截的功能。具体的代码实现很简单，你自己应该能脑补出来，这里就不罗列了。感兴趣的话，你可以自行去查看。

课堂讨论

1. 前面在讲代理模式的时候，我们提到，Spring AOP 是基于代理模式来实现的。在实际的项目开发中，我们可以利用 AOP 来实现访问控制功能，比如鉴权、限流、日志等。今天我们又讲到，Servlet Filter、Spring Interceptor 也可以用来实现访问控制。那在项目开发中，类似权限这样的访问控制功能，我们该选择三者（AOP、Servlet Filter、Spring Interceptor）中的哪个来实现呢？有什么参考标准吗？

2. 除了我们讲到的 Servlet Filter、Spring Interceptor 之外，Dubbo Filter、Netty ChannelPipeline 也是职责链模式的实际应用案例，你能否找一个你熟悉的并且用到职责链模式的框架，像我一样分析一下它的底层实现呢？

问题1答复：三者应用范围不同: web filter 作用于容器，应用范围影响最大；spring interceptor 作用于框架，范围影响适中；aop 作用于业务逻辑，精细化处理，范围影响最小。

参考

设计模式之美_设计模式_代码重构-极客时间
https://time.geekbang.org/column/intro/250