大师兄

49 | 桥接模式:如何实现支持不同类型和渠道的消息推送系统?

上一节课我们学习了第一种结构型模式:代理模式。它在不改变原始类(或者叫被代理类)代码的情况下,通过引入代理类来给原始类附加功能。代理模式在平时的开发经常被用到,常用在业务系统中开发一些非功能性需求,比如:监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。

今天,我们再学习另外一种结构型模式:桥接模式。桥接模式的代码实现非常简单,但是理解起来稍微有点难度,并且应用场景也比较局限,所以,相当于代理模式来说,桥接模式在实际的项目中并没有那么常用,你只需要简单了解,见到能认识就可以,并不是我们学习的重点。

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

桥接模式的原理解析

桥接模式,也叫作桥梁模式,英文是Bridge Design Pattern。这个模式可以说是23种设计模式中最难理解的模式之一了。我查阅了比较多的书籍和资料之后发现,对于这个模式有两种不同的理解方式。

当然,这其中“最纯正”的理解方式,当属GoF的《设计模式》一书中对桥接模式的定义。毕竟,这23种经典的设计模式,最初就是由这本书总结出来的。在GoF的《设计模式》一书中,桥接模式是这么定义的:“Decouple an abstraction from its implementation so that the two can vary independently。”翻译成中文就是:“将抽象和实现解耦,让它们可以独立变化。”

关于桥接模式,很多书籍、资料中,还有另外一种理解方式:“一个类存在两个(或多个)独立变化的维度,我们通过组合的方式,让这两个(或多个)维度可以独立进行扩展。”通过组合关系来替代继承关系,避免继承层次的指数级爆炸。这种理解方式非常类似于,我们之前讲过的“组合优于继承”设计原则,所以,这里我就不多解释了。我们重点看下GoF的理解方式。

GoF给出的定义非常的简短,单凭这一句话,估计没几个人能看懂是什么意思。所以,我们通过JDBC驱动的例子来解释一下。JDBC驱动是桥接模式的经典应用。我们先来看一下,如何利用JDBC驱动来查询数据库。具体的代码如下所示:

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");//加载及注册JDBC驱动程序
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/sample_db?user=root&password=your_password";
Connection con = DriverManager.getConnection(url);
Statement stmt = con.createStatement();
String query = "select * from test";
ResultSet rs=stmt.executeQuery(query);
while(rs.next()) {
rs.getString(1);
rs.getInt(2);
}

如果我们想要把MySQL数据库换成Oracle数据库,只需要把第一行代码中的com.mysql.jdbc.Driver换成oracle.jdbc.driver.OracleDriver就可以了。当然,也有更灵活的实现方式,我们可以把需要加载的Driver类写到配置文件中,当程序启动的时候,自动从配置文件中加载,这样在切换数据库的时候,我们都不需要修改代码,只需要修改配置文件就可以了。

不管是改代码还是改配置,在项目中,从一个数据库切换到另一种数据库,都只需要改动很少的代码,或者完全不需要改动代码,那如此优雅的数据库切换是如何实现的呢?

源码之下无秘密。要弄清楚这个问题,我们先从com.mysql.jdbc.Driver这个类的代码看起。我摘抄了部分相关代码,放到了这里,你可以看一下。

package com.mysql.jdbc;
import java.sql.SQLException;
public class Driver extends NonRegisteringDriver implements java.sql.Driver {
static {
try {
java.sql.DriverManager.registerDriver(new Driver());
} catch (SQLException E) {
throw new RuntimeException("Can't register driver!");
}
}
/**
* Construct a new driver and register it with DriverManager
* @throws SQLException if a database error occurs.
*/
public Driver() throws SQLException {
// Required for Class.forName().newInstance()
}
}

结合com.mysql.jdbc.Driver的代码实现,我们可以发现,当执行Class.forName(“com.mysql.jdbc.Driver”)这条语句的时候,实际上是做了两件事情。第一件事情是要求JVM查找并加载指定的Driver类,第二件事情是执行该类的静态代码,也就是将MySQL Driver注册到DriverManager类中。

现在,我们再来看一下,DriverManager类是干什么用的。具体的代码如下所示。当我们把具体的Driver实现类(比如,com.mysql.jdbc.Driver)注册到DriverManager之后,后续所有对JDBC接口的调用,都会委派到对具体的Driver实现类来执行。而Driver实现类都实现了相同的接口(java.sql.Driver ),这也是可以灵活切换Driver的原因。

public class DriverManager {
private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<DriverInfo>();
//...
static {
loadInitialDrivers();
println("JDBC DriverManager initialized");
}
//...
public static synchronized void registerDriver(java.sql.Driver driver) throws SQLException {
if (driver != null) {
registeredDrivers.addIfAbsent(new DriverInfo(driver));
} else {
throw new NullPointerException();
}
}
public static Connection getConnection(String url, String user, String password) throws SQLException {
java.util.Properties info = new java.util.Properties();
if (user != null) {
info.put("user", user);
}
if (password != null) {
info.put("password", password);
}
return (getConnection(url, info, Reflection.getCallerClass()));
}
//...
}

桥接模式的定义是“将抽象和实现解耦,让它们可以独立变化”。那弄懂定义中“抽象”和“实现”两个概念,就是理解桥接模式的关键。那在JDBC这个例子中,什么是“抽象”?什么是“实现”呢?

实际上,JDBC本身就相当于“抽象”。注意,这里所说的“抽象”,指的并非“抽象类”或“接口”,而是跟具体的数据库无关的、被抽象出来的一套“类库”。具体的Driver(比如,com.mysql.jdbc.Driver)就相当于“实现”。注意,这里所说的“实现”,也并非指“接口的实现类”,而是跟具体数据库相关的一套“类库”。JDBC和Driver独立开发,通过对象之间的组合关系,组装在一起。JDBC的所有逻辑操作,最终都委托给Driver来执行。

我画了一张图帮助你理解,你可以结合着我刚才的讲解一块看。

桥接模式的应用举例

第16节中,我们讲过一个API接口监控告警的例子:根据不同的告警规则,触发不同类型的告警。告警支持多种通知渠道,包括:邮件、短信、微信、自动语音电话。通知的紧急程度有多种类型,包括:SEVERE(严重)、URGENCY(紧急)、NORMAL(普通)、TRIVIAL(无关紧要)。不同的紧急程度对应不同的通知渠道。比如,SERVE(严重)级别的消息会通过“自动语音电话”告知相关人员。

在当时的代码实现中,关于发送告警信息那部分代码,我们只给出了粗略的设计,现在我们来一块实现一下。我们先来看最简单、最直接的一种实现方式。代码如下所示:

public enum NotificationEmergencyLevel {
SEVERE, URGENCY, NORMAL, TRIVIAL
}
public class Notification {
private List<String> emailAddresses;
private List<String> telephones;
private List<String> wechatIds;
public Notification() {}
public void setEmailAddress(List<String> emailAddress) {
this.emailAddresses = emailAddress;
}
public void setTelephones(List<String> telephones) {
this.telephones = telephones;
}
public void setWechatIds(List<String> wechatIds) {
this.wechatIds = wechatIds;
}
public void notify(NotificationEmergencyLevel level, String message) {
if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.SEVERE)) {
//...自动语音电话
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.URGENCY)) {
//...发微信
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.NORMAL)) {
//...发邮件
} else if (level.equals(NotificationEmergencyLevel.TRIVIAL)) {
//...发邮件
}
}
}
//在API监控告警的例子中,我们如下方式来使用Notification类:
public class ErrorAlertHandler extends AlertHandler {
public ErrorAlertHandler(AlertRule rule, Notification notification){
super(rule, notification);
}
@Override
public void check(ApiStatInfo apiStatInfo) {
if (apiStatInfo.getErrorCount() > rule.getMatchedRule(apiStatInfo.getApi()).getMaxErrorCount()) {
notification.notify(NotificationEmergencyLevel.SEVERE, "...");
}
}
}

Notification类的代码实现有一个最明显的问题,那就是有很多if-else分支逻辑。实际上,如果每个分支中的代码都不复杂,后期也没有无限膨胀的可能(增加更多if-else分支判断),那这样的设计问题并不大,没必要非得一定要摒弃if-else分支逻辑。

不过,Notification的代码显然不符合这个条件。因为每个if-else分支中的代码逻辑都比较复杂,发送通知的所有逻辑都扎堆在Notification类中。我们知道,类的代码越多,就越难读懂,越难修改,维护的成本也就越高。很多设计模式都是试图将庞大的类拆分成更细小的类,然后再通过某种更合理的结构组装在一起。

针对Notification的代码,我们将不同渠道的发送逻辑剥离出来,形成独立的消息发送类(MsgSender相关类)。其中,Notification类相当于抽象,MsgSender类相当于实现,两者可以独立开发,通过组合关系(也就是桥梁)任意组合在一起。所谓任意组合的意思就是,不同紧急程度的消息和发送渠道之间的对应关系,不是在代码中固定写死的,我们可以动态地去指定(比如,通过读取配置来获取对应关系)。

按照这个设计思路,我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示:

public interface MsgSender {
void send(String message);
}
public class TelephoneMsgSender implements MsgSender {
private List<String> telephones;
public TelephoneMsgSender(List<String> telephones) {
this.telephones = telephones;
}
@Override
public void send(String message) {
//...
}
}
public class EmailMsgSender implements MsgSender {
// 与TelephoneMsgSender代码结构类似,所以省略...
}
public class WechatMsgSender implements MsgSender {
// 与TelephoneMsgSender代码结构类似,所以省略...
}
public abstract class Notification {
protected MsgSender msgSender;
public Notification(MsgSender msgSender) {
this.msgSender = msgSender;
}
public abstract void notify(String message);
}
public class SevereNotification extends Notification {
public SevereNotification(MsgSender msgSender) {
super(msgSender);
}
@Override
public void notify(String message) {
msgSender.send(message);
}
}
public class UrgencyNotification extends Notification {
// 与SevereNotification代码结构类似,所以省略...
}
public class NormalNotification extends Notification {
// 与SevereNotification代码结构类似,所以省略...
}
public class TrivialNotification extends Notification {
// 与SevereNotification代码结构类似,所以省略...
}

重点回顾

好了,今天的内容到此就讲完了。我们一块来总结回顾一下,你需要重点掌握的内容。

总体上来讲,桥接模式的原理比较难理解,但代码实现相对简单。

对于这个模式有两种不同的理解方式。在GoF的《设计模式》一书中,桥接模式被定义为:“将抽象和实现解耦,让它们可以独立变化。”在其他资料和书籍中,还有另外一种更加简单的理解方式:“一个类存在两个(或多个)独立变化的维度,我们通过组合的方式,让这两个(或多个)维度可以独立进行扩展。”

对于第一种GoF的理解方式,弄懂定义中“抽象”和“实现”两个概念,是理解它的关键。定义中的“抽象”,指的并非“抽象类”或“接口”,而是被抽象出来的一套“类库”,它只包含骨架代码,真正的业务逻辑需要委派给定义中的“实现”来完成。而定义中的“实现”,也并非“接口的实现类”,而是一套独立的“类库”。“抽象”和“实现”独立开发,通过对象之间的组合关系,组装在一起。

对于第二种理解方式,它非常类似我们之前讲过的“组合优于继承”设计原则,通过组合关系来替代继承关系,避免继承层次的指数级爆炸。

课堂讨论

在桥接模式的第二种理解方式的第一段代码实现中,Notification类中的三个成员变量通过set方法来设置,但是这样的代码实现存在一个明显的问题,那就是emailAddresses、telephones、wechatIds中的数据有可能在Notification类外部被修改,那如何重构代码才能避免这种情况的发生呢?

public class Notification {
private List<String> emailAddresses;
private List<String> telephones;
private List<String> wechatIds;
public Notification() {}
public void setEmailAddress(List<String> emailAddress) {
this.emailAddresses = emailAddress;
}
public void setTelephones(List<String> telephones) {
this.telephones = telephones;
}
public void setWechatIds(List<String> wechatIds) {
this.wechatIds = wechatIds;
}
//...
}

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