盘点 Spring Security 框架中的八大经典设计模式

上次有小伙伴建议，源码分析太枯燥了，要是能够结合设计模式一起来，这样更有助于大家理解 Spring Security 源码，同时还能复习一波设计模式。

因此松哥今天就试着整一篇，和大家来聊一聊 Spring Security 中涉及到的设计模式，不过 Spring Security 中涉及到的设计模式还是非常多的，松哥这里讲几个，剩下的欢迎小伙伴们留言补充。

1.模板方法模式

Template Pattern(模板方法模式)是一个抽象类公开定义了执行它的方法的模板。它的子类可以按需要重写方法实现，但调用将以抽象类中定义的方式进行，这是一种行为型模式。

模板方法方式优点如下：

在父类中提取了公共的部分代码，便于代码复用和扩展。
部分方法是由子类实现的，子类可以通过扩展方式增加相应的功能，符合开闭原则。

缺点如下：

对每个不同的实现都需要定义一个子类，导致类的个数增加，系统更加复杂，设计也更加抽象。
父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，增加了代码理解难度。

介绍完模板方法模式，大家可能大概猜到了 Spring Security 中哪些地方用到模板方法模式了。

我举几个简单的例子。

第一个例子是 AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 类的设计。大家都知道这个类是用来做验证的，认证的逻辑在这个方法中都定义好了，但是该类却定义了两个抽象方法：

retrieveUser 该方法用户从数据源中获取用户对象。
additionalAuthenticationChecks 该方法用来做额外的校验（登录凭证的校验）

这两个抽象方法是在 DaoAuthenticationProvider 中实现的。DaoAuthenticationProvider 的实现就是从数据库中加载用户，默认检验登录凭证也都是验证密码。

如果你的数据源来自其他地方，或者登录凭证不是密码，那么自定义类继承自 AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 并重写它里边的这两个方法即可。

2.责任链模式

Chain of Responsibility Pattern(责任链模式) ，在这种模式中，通常每个接收者都包含对另一个接收者的引用，如果一个对象不能处理该请求，那么它会把相同的请求传给下一个接收者，依此类推。在这个过程中，客户只需要将请求发送到责任链上即可，无须关心请求的处理细节和请求的传递过程，所以责任链将请求的发送者和请求的处理者解耦了。

责任链模式优点如下：

降低对象之间的耦合度。
增强了系统的可扩展性。
当工作流程发生变化，可以动态地改变链内的成员或者调动它们的次序。
简化了对象之间的连接，每个对象只需保持一个指向其后继者的引用，不需保持其他所有处理者的引用。
责任分担，每个类只需要处理自己该处理的工作，符合类的单一职责原则。

缺点如下：

对比较长的职责链，请求的处理可能涉及多个处理对象，系统性能将受到一定影响。
职责链建立的合理性要靠客户端来保证，增加了客户端的复杂性。

很明显，Spring Security 中的过滤器链就是一种责任链模式。一个请求到达后，被过滤器链中的过滤器逐个进行处理，过滤器链中的过滤器每个都具有不同的职能并且互不相扰，我们还可以通过 HttpSecurity 来动态配置过滤器链中的过滤器（即添加/删除过滤器链中的过滤器）。

具体的代码在 FilterChainProxy$VirtualFilterChain 中，如下：

那么接下来我们就来看看 VirtualFilterChain：

private static class VirtualFilterChain implements FilterChain {
    private final FilterChain originalChain;
    private final List additionalFilters;
    private final FirewalledRequest firewalledRequest;
    private final int size;
    private int currentPosition = 0;
    private VirtualFilterChain(FirewalledRequest firewalledRequest,
            FilterChain chain, List additionalFilters) {
        this.originalChain = chain;
        this.additionalFilters = additionalFilters;
        this.size = additionalFilters.size();
        this.firewalledRequest = firewalledRequest;
    }
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response)
            throws IOException, ServletException {
        if (currentPosition == size) {
            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++;
            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);
        }
    }
}

VirtualFilterChain 类中首先声明了 5 个全局属性，originalChain 表示原生的过滤器链，也就是 Web Filter；additionalFilters 表示 Spring Security 中的过滤器链；firewalledRequest 表示当前请求；size 表示过滤器链中过滤器的个数；currentPosition 则是过滤器链遍历时候的下标。
doFilter 方法就是 Spring Security 中过滤器挨个执行的过程，如果 currentPosition == size，表示过滤器链已经执行完毕，此时通过调用 originalChain.doFilter 进入到原生过滤链方法中，同时也退出了 Spring Security 过滤器链。否则就从 additionalFilters 取出 Spring Security 过滤器链中的一个个过滤器，挨个调用 doFilter 方法。nextFilter.doFilter 就是过滤器链挨个往下走。

关于 FilterChainProxy 的介绍，参见：深入理解 FilterChainProxy【源码篇】

3.策略模式

Strategy Pattern(策略模式)，它定义了一系列算法，将每一个算法封装起来，并让它们可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而变化，也称为政策模式(Policy)。

策略模式的优点：

策略模式提供了对“开闭原则”的完美支持，用户可以在不修改原有系统的基础上选择具体的策略，也可以灵活地扩展新的策略。
策略模式提供了管理相关的策略的方式。
策略模式提供了可以替换继承关系的办法。
使用策略模式可以避免使用多重条件转移语句。

策略模式的缺点：

客户端必须知道所有的策略类，并自行决定使用哪一个策略类。
策略模式将造成产生很多策略类（可以通过使用享元模式在一定程度上减少对象的数量）。

Spring Security 中使用策略模式的地方也有好几个。

第一个就是用户登录信息存储。

在 SecurityContextHolder 中定义登录用户信息存储的方法，就定义了三种不同的策略：

public class SecurityContextHolder {
    // ~ Static fields/initializers
    // =====================================================================================

    public static final String MODE_THREADLOCAL = "MODE_THREADLOCAL";
    public static final String MODE_INHERITABLETHREADLOCAL = "MODE_INHERITABLETHREADLOCAL";
    public static final String MODE_GLOBAL = "MODE_GLOBAL";
    public static final String SYSTEM_PROPERTY = "spring.security.strategy";
    private static String strategyName = System.getProperty(SYSTEM_PROPERTY);
    private static SecurityContextHolderStrategy strategy;
}

用户可以自行选择使用哪一种策略！具体参见：在 Spring Security 中，我就想从子线程获取用户登录信息，怎么办？

还有一个就是 session 并发管理。

在 AbstractAuthenticationProcessingFilter#doFilter 方法中，有如下代码：

public void doFilter(ServletRequest req, ServletResponse res, FilterChain chain)
        throws IOException, ServletException {
    //省略
        sessionStrategy.onAuthentication(authResult, request, response);
    //省略
}

这就是一种策略模式。

Session 并发管理可以参考：

当然，这样的例子还有很多，我就不一一列举了。

4.代理模式

Proxy Pattern(代理模式) ：给某一个对象提供一个代理，并由代理对象控制对原对象的引用，它是一种对象结构型模式。

代理模式的优点：

一定程度上降低了系统的耦合度。
代理对象可以扩展目标对象的功能。
代理对象可以保护目标对象。

缺点：

在客户端和真实对象之间增加了代理，可能会导致请求的处理速度变慢。
增加了系统复杂度。

代理模式在 Spring Security 中最重要的应用就是 Spring Security 过滤器链接入 Web Filter 的过程，使用了 Spring 提供的 DelegatingFilterProxy，这就是一个典型的代理模式：

public class DelegatingFilterProxy extends GenericFilterBean {
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest request, ServletResponse response, FilterChain filterChain)
            throws ServletException, IOException {

        // Lazily initialize the delegate if necessary.
        Filter delegateToUse = this.delegate;
        if (delegateToUse == null) {
            synchronized (this.delegateMonitor) {
                delegateToUse = this.delegate;
                if (delegateToUse == null) {
                    WebApplicationContext wac = findWebApplicationContext();
                    if (wac == null) {
                        throw new IllegalStateException("No WebApplicationContext found: " +
                                "no ContextLoaderListener or DispatcherServlet registered?");
                    }
                    delegateToUse = initDelegate(wac);
                }
                this.delegate = delegateToUse;
            }
        }

        // Let the delegate perform the actual doFilter operation.
        invokeDelegate(delegateToUse, request, response, filterChain);
    }
}

当然还有其他很多地方也用到代理模式，我就不一一列举了，欢迎小伙伴们留言补充。

5.适配器模式

Adapter Pattern(适配器模式)，大家平时用的手机充电器学名叫做电源适配器，它的作用是把 220V 的电压转为手机可用的 5V 电压。所以适配器模式其实也是类似作用，将一个接口转换成客户希望的另一个接口，适配器模式使接口不兼容的类可以一起工作。适配器模式又分为类适配器模式、对象适配器模式以及接口适配器模式。

适配器模式的优点：

解耦，通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类，而无须修改原有代码。
增加了类的透明性和复用性。
具有较好的灵活性和扩展性都。

缺点：

由于 Java 不支持多重继承，一次最多只能适配一个适配者类，而且目标抽象类只能为抽象类，不能为具体类，其使用有一定的局限性。

Spring Security 中的适配器模式也是非常多的，例如我们最为常见的 WebSecurityConfigurerAdapter，该类让两个原本不相关的 WebSecurity 和 HttpSecurity 能够在一起工作。

具体参见：[深入理解 WebSecurityConfigurerAdapter【源码篇】]()

6.建造者模式

Builder Pattern(建造者模式)是将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的对象出来，用户只需要指定复杂对象的类型和内容就可以构建对象，而不需要知道内部的具体构建细节。

建造者模式优点：

将产品本身与产品的创建过程解耦，使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象，而客户端不需要知道产品内部细节。
每一个产品对应一个建造者，用户使用不同的建造者可以创建不同的产品，建造者本身可以轻松修改或者添加。
可以更加精细地控制产品的创建过程。

缺点：

创建的产品需要有一定的相似性，如果差异过大，则不适合建造者模式。
产品本身的复杂度会提高建造者的复杂度。

Spring Security 中对于建造者模式的使用也是非常多，例如典型的 AuthenticationManagerBuilder，它想要建造的对象是 AuthenticationManager，对应的建造方法则是 build。一般建造者模式中建造者类命名以 builder 结尾，而建造方法命名为 build()。

关于 AuthenticationManagerBuilder，参见：深入理解 AuthenticationManagerBuilder 【源码篇】一文。

7.观察者模式

Observer(观察者模式)指多个对象间存在一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新，观察者模式也称为发布-订阅模式、模型-视图模式，它是对象行为型模式。

观察者模式优点：

降低了目标与观察者之间的耦合关系，两者之间是抽象耦合关系。

缺点：

目标与观察者之间的依赖关系并没有完全解除，而且有可能出现循环引用。
当观察者对象很多时，程序执行效率降低。

在 Spring 框架中，观察者模式用于实现 ApplicationContext 的事件处理功能。Spring 为我们提供了 ApplicationEvent 类和 ApplicationListener 接口来启用事件处理。Spring 应用程序中的任何 Bean 实现 ApplicationListener 接口，都会接收到 ApplicationEvent 作为事件发布者推送的消息。在这里，事件发布者是主题(Subject) 和实现 ApplicationListener 的 Bean 的观察者(Observer)。

具体到 Spring Security 中，如登录成功事件发布，session 销毁事件等等，都算是观察者模式。

例如 AbstractAuthenticationProcessingFilter#successfulAuthentication 方法：

protected void successfulAuthentication(HttpServletRequest request,
        HttpServletResponse response, FilterChain chain, Authentication authResult)
        throws IOException, ServletException {
    if (logger.isDebugEnabled()) {
        logger.debug("Authentication success. Updating SecurityContextHolder to contain: "
                + authResult);
    }
    SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(authResult);
    rememberMeServices.loginSuccess(request, response, authResult);
    // Fire event
    if (this.eventPublisher != null) {
        eventPublisher.publishEvent(new InteractiveAuthenticationSuccessEvent(
                authResult, this.getClass()));
    }
    successHandler.onAuthenticationSuccess(request, response, authResult);
}

类似还有很多，如 session 销毁事件等（参见Spring Security 自动踢掉前一个登录用户，一个配置搞定！），我这里就不一一列举了。

8.装饰模式

Decorator(装饰模式)是指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些额外功能的模式。

装饰模式的优点：

可以灵活的扩展一个类的功能。

缺点：

增加了许多子类，使程序变得很复杂。

Spring Security 中对于装饰模式也有许多应用。最典型的就是一个请求在通过过滤器链的时候会不停的变，会不停的调整它的功能，通过装饰模式设计出了请求的许多类，例如：

HeaderWriterRequest
FirewalledRequest
StrictHttpFirewall
SaveToSessionRequestWrapper
...

等等，类似的很多，我就不一一赘述了。

小结

松哥的 Spring Security 还在持续连载中，未来连载完了还会总结出更多的设计模式，这里先列出来八个和小伙伴们分享，如果小伙伴们有自己的见解，也欢迎留言补充。