15、责任链模式
如何实现可灵活扩展算法的敏感信息过滤框架
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 oneobject a chance to handle the request. Chain the receiving objects and pass therequest along the chain until an object handles it.
中文：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。
这么说比较抽象，我用更加容易理解的话来进一步解读一下。
在职责链模式中，多个处理器（也就是刚刚定义中说的“接收对象”）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。
关于职责链模式，我们先来看看它的代码实现。结合代码实现，你会更容易理解它的定义。
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。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。
public abstract class Handler {
protected Handler successor = null;
public void setSuccessor(Handler successor) {
this.successor = successor;
}
public abstract void handle();
}
public class HandlerA extends Handler {
@Override
public boolean handle() {
boolean handled = false;
//...
if (!handled && successor != null) {
successor.handle();
}
}
}
public class HandlerB extends Handler {
@Override
public void handle() {
boolean handled = false;
//...
if (!handled && successor != null) {
successor.handle();
}
}
}
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();
}
}
实际上，上面的代码实现不够优雅。处理器类的 handle() 函数，不仅包含自己的业务逻辑，还包含对下一个处理器的调用，也就是代码中的 successor.handle()。一个不熟悉这种代码结构的程序员，在添加新的处理器类的时候，很有可能忘记在 handle() 函数中调用successor.handle()，这就会导致代码出现 bug。
针对这个问题，我们对代码进行重构，利用模板模式，将调用 successor.handle() 的逻辑从具体的处理器类中剥离出来，放到抽象父类中。这样具体的处理器类只需要实现自己的业务逻辑就可以了。重构之后的代码如下所示：
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;
}
}
// HandlerChain和Application代码不变
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。
这里只给出其中一种实现方式，如下所示。另外一种实现方式你对照着上面的实现自行修改。
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();
}
public class HandlerA extends Handler {
@Override
protected void doHandle() {
//...
}
}
public class HandlerB extends Handler {
@Override
protected void doHandle() {
//...
}
}
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();
}
}
职责链模式的应用场景举例
职责链模式的原理和实现讲完了，我们再通过一个实际的例子，来学习一下职责链模式的应用场景。
对于支持 UGC（User Generated Content，用户生成内容）的应用（比如论坛）来说，用户生成的内容（比如，在论坛中发表的帖子）可能会包含一些敏感词（比如涉黄、广告、反动等词汇）。针对这个应用场景，我们就可以利用职责链模式来过滤这些敏感词。对于包含敏感词的内容，我们有两种处理方式，一种是直接禁止发布，另一种是给敏感词打马赛克（比如，用 *** 替换敏感词）之后再发布。第一种处理方式符合 GoF 给出的职责链模式的定义，第二种处理方式是职责链模式的变体。我们这里只给出第一种实现方式的代码示例，如下所示，并且，我们只给出了代码实现的骨架，具体的敏感词过滤算法并没有给出。
public interface SensitiveWordFilter {
boolean doFilter(Content content);
}
public class SexyWordFilter implements SensitiveWordFilter {
@Override
public boolean doFilter(Content content) {
boolean legal = true;
//...
return legal;
}
}
// PoliticalWordFilter、AdsWordFilter类代码结构与SexyWordFilter类似
public class SensitiveWordFilterChain {
private List<SensitiveWordFilter> filters = new ArrayList<>();
public void addFilter(SensitiveWordFilter filter) {
this.filters.add(filter);
}
// return true if content doesn't contain sensitive words.
public boolean filter(Content content) {
for (SensitiveWordFilter filter : filters) {
if (!filter.doFilter(content)) {
return false;
}
}
return true;
}
}
public class ApplicationDemo {
public static void main(String[] args) {
SensitiveWordFilterChain filterChain = new SensitiveWordFilterChain();
filterChain.addFilter(new AdsWordFilter());
filterChain.addFilter(new SexyWordFilter());
filterChain.addFilter(new PoliticalWordFilter());
boolean legal = filterChain.filter(new Content());
if (!legal) {
// 不发表
} else {
// 发表
}
}
}
看了上面的实现，你可能会说，我像下面这样也可以实现敏感词过滤功能，而且代码更加简单，为什么非要使用职责链模式呢？这是不是过度设计呢？
public class SensitiveWordFilter {
// return true if content doesn't contain sensitive words.
public boolean filter(Content content) {
if (!filterSexyWord(content)) {
return false;
}
if (!filterAdsWord(content)) {
return false;
}
if (!filterPoliticalWord(content)) {
return false;
}
return true;
}
private boolean filterSexyWord(Content content) {
//....
}
private boolean filterAdsWord(Content content) {
//...
}
private boolean filterPoliticalWord(Content content) {
//...
}
}
我们前面多次讲过，应用设计模式主要是为了应对代码的复杂性，让其满足开闭原则，提高代码的扩展性。这里应用职责链模式也不例外。实际上，我们在讲解策略模式的时候，也讲过类似的问题，比如，为什么要用策略模式？当时的给出的理由，与现在应用职责链模式的理由，几乎是一样的，你可以结合着当时的讲解一块来看下。
首先，我们来看，职责链模式如何应对代码的复杂性。
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。应用职责链模式，我们把各个敏感词过滤函数继续拆分出来，设计成独立的类，进一步简化了SensitiveWordFilter 类，让 SensitiveWordFilter 类的代码不会过多，过复杂。
其次，我们再来看，职责链模式如何让代码满足开闭原则，提高代码的扩展性。
当我们要扩展新的过滤算法的时候，比如，我们还需要过滤特殊符号，按照非职责链模式的代码实现方式，我们需要修改 SensitiveWordFilter 的代码，违反开闭原则。不过，这样的修改还算比较集中，也是可以接受的。而职责链模式的实现方式更加优雅，只需要新添加一个 Filter 类，并且通过 addFilter() 函数将它添加到 FilterChain 中即可，其他代码完全不需要修改。
不过，你可能会说，即便使用职责链模式来实现，当添加新的过滤算法的时候，还是要修改客户端代码（ApplicationDemo），这样做也没有完全符合开闭原则。
实际上，细化一下的话，我们可以把上面的代码分成两类：框架代码和客户端代码。其中，ApplicationDemo 属于客户端代码，也就是使用框架的代码。除 ApplicationDemo 之外的代码属于敏感词过滤框架代码。
假设敏感词过滤框架并不是我们开发维护的，而是我们引入的一个第三方框架，我们要扩展一个新的过滤算法，不可能直接去修改框架的源码。这个时候，利用职责链模式就能达到开篇所说的，在不修改框架源码的情况下，基于职责链模式提供的扩展点，来扩展新的功能。
换句话说，我们在框架这个代码范围内实现了开闭原则。
除此之外，利用职责链模式相对于不用职责链的实现方式，还有一个好处，那就是配置过滤算法更加灵活，可以只选择使用某几个过滤算法。
框架中常用的过滤器、拦截器是如何实现的
上一章节，我们学习职责链模式的原理与实现，并且通过一个敏感词过滤框架的例子，展示了职责链模式的设计意图。本质上来说，它跟大部分设计模式一样，都是为了解耦代码，应对代码的复杂性，让代码满足开闭原则，提高代码的可扩展性。
除此之外，我们还提到，职责链模式常用在框架的开发中，为框架提供扩展点，让框架的使用者在不修改框架源码的情况下，基于扩展点添加新的功能。实际上，更具体点来说，职责链模式最常用来开发框架的过滤器和拦截器。今天，我们就通过 Servlet Filter、Spring Interceptor 这两个 Java 开发中常用的组件，来具体讲讲它在框架开发中的应用。
Servlet Filter
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。
public class LogFilter implements Filter {
@Override
public void init(FilterConfig filterConfig) throws ServletException {
// 在创建Filter时自动调用，
// 其中filterConfig包含这个Filter的配置参数，比如name之类的（从配置文件中读取的）
}
@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, Filte
System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
chain.doFilter(request, response);
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.");
}
@Override
public void destroy() {
// 在销毁Filter时自动调用
}
}
// 在web.xml配置文件中如下配置：
<filter>
<filter-name>logFilter</filter-name>
<filter-class>com.xzg.cd.LogFilter</filter-class>
</filter>
<filter-mapping>
<filter-name>logFilter</filter-name>
<url-pattern>/*</url-pattern>
</filter-mapping>
从刚刚的示例代码中，我们发现，添加过滤器非常方便，不需要修改任何代码，定义一个实现 javax.servlet.Filter 的类，再改改配置就搞定了，完全符合开闭原则。那 Servlet Filter是如何做到如此好的扩展性的呢？我想你应该已经猜到了，它利用的就是职责链模式。现在，我们通过剖析它的源码，详细地看看它底层是如何实现的。
在上一节中，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 + IN
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。
@Override
public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response) {
if (pos < n) {
ApplicationFilterConfig filterConfig = filters[pos++];
Filter filter = filterConfig.getFilter();
//filter.doFilter(request, response, this);
//把filter.doFilter的代码实现展开替换到这里
System.out.println("拦截客户端发送来的请求.");
chain.doFilter(request, response); // chain就是this
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.")
} else {
// filter都处理完毕后，执行servlet
servlet.service(request, response);
}
}
这样实现主要是为了在一个 doFilter() 方法中，支持双向拦截，既能拦截客户端发送来的请求，也能拦截发送给客户端的响应，你可以结合着 LogFilter 那个例子，以及对比待会要讲到的 Spring Interceptor，来自己理解一下。而我们上一节课给出的两种实现方式，都没法做到在业务逻辑执行的前后，同时添加处理代码
Spring Interceptor
刚刚讲了 Servlet Filter，现在我们来讲一个功能上跟它非常类似的东西，Spring Interceptor，翻译成中文就是拦截器。尽管英文单词和中文翻译都不同，但这两者基本上可以看作一个概念，都用来实现对 HTTP 请求进行拦截处理。
它们不同之处在于，Servlet Filter 是 Servlet 规范的一部分，实现依赖于 Web 容器。Spring Interceptor 是 Spring MVC 框架的一部分，由 Spring MVC 框架来提供实现。客户端发送的请求，会先经过 Servlet Filter，然后再经过 Spring Interceptor，最后到达具体的业务代码中。我画了一张图来阐述一个请求的处理流程，具体如下所示。
在项目中，我们该如何使用 Spring Interceptor 呢？我写了一个简单的示例代码，如下所示。LogInterceptor 实现的功能跟刚才的 LogFilter 完全相同，只是实现方式上稍有区别。LogFilter 对请求和响应的拦截是在 doFilter() 一个函数中实现的，而 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)
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)
System.out.println("拦截发送给客户端的响应.");
}
@Override
public void afterCompletion(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response)
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>
同样，我们还是来剖析一下，Spring Interceptor 底层是如何实现的。
当然，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)
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
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 re
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。
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。
-
职责链模式常用在框架开发中，用来实现框架的过滤器、拦截器功能，让框架的使用者在不需要修改框架源码的情况下，添加新的过滤拦截功能。这也体现了之前讲到的对扩展开放、对修改关闭的设计原则。
