设计模式基础（十五）——职责链模式

职责链模式（Chain Of Responsibility Design Pattern ），是一种行为型模式。 它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。

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。

一、基本原理

我们还是通过示例来了解下职责链模式的基本原理。

Handler 是所有处理器类都必须实现的接口。每个具体的处理器类（HandlerA、HandlerB）的代码结构类似。 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();
  }
}

二、使用场景

2.1 敏感词过滤

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。

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;
  }
}

客户端使用：

ublic 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
    }
  }
}

2.2 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。

在实际项目中，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, FilterChain chain) throws IOException, ServletException {
    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
  }
}

职责链模式的实现包含处理器接口（IHandler）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。

事实上，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：

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 中的filter.doFilter(request, response, this)，一眼就能看出是递归调用了：

@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。

2.3 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。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，我们可以通过如下方式使用 Spring Interceptor。下面的示例中，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, 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.");
  }
}

Spring Interceptor 的底层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() 方法用来分发请求，它在真正的业务逻辑前后，执行了 HandlerExecutionChain 中的 applyPreHandle() 和 applyPostHandle() 函数，用来实现拦截的功能。

三、开源示例

Netty中的ChannlPipeline 就使用了职责链模式。ChannlPipeline 内部是由一组 ChannelHandler 实例组成的，内部通过双向链表将不同的 ChannelHandler 链接在一起，如下图所示：

对于 Netty 中责任链模式的实现，也遵循了责任链模式的四个基本要素：

责任处理器接口

ChannelHandler 对应的就是责任处理器接口，ChannelHandler 有两个重要的子接口：ChannelInboundHandler和ChannelOutboundHandler，分别拦截入站和出站的各种 I/O 事件。

动态修改责任链

ChannelPipeline 负责创建责任链，其内部采用双向链表实现，ChannelPipeline 的内部结构定义如下所示：

public class DefaultChannelPipeline implements ChannelPipeline {

    private static final String HEAD_NAME = generateName0(HeadContext.class);
    private static final String TAIL_NAME = generateName0(TailContext.class);
    // 头结点
    final AbstractChannelHandlerContext head; 
    // 尾节点
    final AbstractChannelHandlerContext tail;

    private final Channel channel;

    private final ChannelFuture succeededFuture;

    private final VoidChannelPromise voidPromise;

    private final boolean touch = ResourceLeakDetector.isEnabled();

    //...

}

ChannelPipeline 提供了一系列 add 和 remove 相关接口用于动态添加和删除 ChannelHandler 处理器，如下所示：

上下文

从 ChannelPipeline 内部结构定义可以看出，ChannelHandlerContext 负责保存责任链节点上下文信息。ChannelHandlerContext 是对 ChannelHandler 的封装，每个 ChannelHandler 都对应一个 ChannelHandlerContext，实际上 ChannelPipeline 维护的是与 ChannelHandlerContext 的关系。

责任传播和终止机制

ChannelHandlerContext 提供了 fire 系列的方法用于事件传播，如下所示：

以 ChannelInboundHandlerAdapter 的 channelRead 方法为例，ChannelHandlerContext 会默认调用 fireChannelRead 方法将事件默认传递到下一个处理器。如果我们重写了 ChannelInboundHandlerAdapter 的 channelRead 方法，并且没有调用 fireChannelRead 进行事件传播，那么表示此次事件传播已终止。

四、总结

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。