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59 | 模板模式(下):模板模式与Callback回调函数有何区别和联系?

上一节课中,我们学习了模板模式的原理、实现和应用。它常用在框架开发中,通过提供功能扩展点,让框架用户在不修改框架源码的情况下,基于扩展点定制化框架的功能。除此之外,模板模式还可以起到代码复用的作用。

复用和扩展是模板模式的两大作用,实际上,还有另外一个技术概念,也能起到跟模板模式相同的作用,那就是回调(Callback)。今天我们今天就来看一下,回调的原理、实现和应用,以及它跟模板模式的区别和联系。

话不多说,让我们正式开始今天的学习吧!

回调的原理解析

相对于普通的函数调用来说,回调是一种双向调用关系。A类事先注册某个函数F到B类,A类在调用B类的P函数的时候,B类反过来调用A类注册给它的F函数。这里的F函数就是“回调函数”。A调用B,B反过来又调用A,这种调用机制就叫作“回调”。

A类如何将回调函数传递给B类呢?不同的编程语言,有不同的实现方法。C语言可以使用函数指针,Java则需要使用包裹了回调函数的类对象,我们简称为回调对象。这里我用Java语言举例说明一下。代码如下所示:

public interface ICallback {
void methodToCallback();
}
public class BClass {
public void process(ICallback callback) {
//...
callback.methodToCallback();
//...
}
}
public class AClass {
public static void main(String[] args) {
BClass b = new BClass();
b.process(new ICallback() { //回调对象
@Override
public void methodToCallback() {
System.out.println("Call back me.");
}
});
}
}

上面就是Java语言中回调的典型代码实现。从代码实现中,我们可以看出,回调跟模板模式一样,也具有复用和扩展的功能。除了回调函数之外,BClass类的process()函数中的逻辑都可以复用。如果ICallback、BClass类是框架代码,AClass是使用框架的客户端代码,我们可以通过ICallback定制process()函数,也就是说,框架因此具有了扩展的能力。

实际上,回调不仅可以应用在代码设计上,在更高层次的架构设计上也比较常用。比如,通过三方支付系统来实现支付功能,用户在发起支付请求之后,一般不会一直阻塞到支付结果返回,而是注册回调接口(类似回调函数,一般是一个回调用的URL)给三方支付系统,等三方支付系统执行完成之后,将结果通过回调接口返回给用户。

回调可以分为同步回调和异步回调(或者延迟回调)。同步回调指在函数返回之前执行回调函数;异步回调指的是在函数返回之后执行回调函数。上面的代码实际上是同步回调的实现方式,在process()函数返回之前,执行完回调函数methodToCallback()。而上面支付的例子是异步回调的实现方式,发起支付之后不需要等待回调接口被调用就直接返回。从应用场景上来看,同步回调看起来更像模板模式,异步回调看起来更像观察者模式。

应用举例一:JdbcTemplate

Spring提供了很多Template类,比如,JdbcTemplate、RedisTemplate、RestTemplate。尽管都叫作xxxTemplate,但它们并非基于模板模式来实现的,而是基于回调来实现的,确切地说应该是同步回调。而同步回调从应用场景上很像模板模式,所以,在命名上,这些类使用Template(模板)这个单词作为后缀。

这些Template类的设计思路都很相近,所以,我们只拿其中的JdbcTemplate来举例分析一下。对于其他Template类,你可以阅读源码自行分析。

在前面的章节中,我们也多次提到,Java提供了JDBC类库来封装不同类型的数据库操作。不过,直接使用JDBC来编写操作数据库的代码,还是有点复杂的。比如,下面这段是使用JDBC来查询用户信息的代码。

public class JdbcDemo {
public User queryUser(long id) {
Connection conn = null;
Statement stmt = null;
try {
//1.加载驱动
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/demo", "xzg", "xzg");
//2.创建statement类对象,用来执行SQL语句
stmt = conn.createStatement();
//3.ResultSet类,用来存放获取的结果集
String sql = "select * from user where id=" + id;
ResultSet resultSet = stmt.executeQuery(sql);
String eid = null, ename = null, price = null;
while (resultSet.next()) {
User user = new User();
user.setId(resultSet.getLong("id"));
user.setName(resultSet.getString("name"));
user.setTelephone(resultSet.getString("telephone"));
return user;
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO: log...
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
} finally {
if (conn != null)
try {
conn.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
if (stmt != null)
try {
stmt.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
}
return null;
}
}

queryUser()函数包含很多流程性质的代码,跟业务无关,比如,加载驱动、创建数据库连接、创建statement、关闭连接、关闭statement、处理异常。针对不同的SQL执行请求,这些流程性质的代码是相同的、可以复用的,我们不需要每次都重新敲一遍。

针对这个问题,Spring提供了JdbcTemplate,对JDBC进一步封装,来简化数据库编程。使用JdbcTemplate查询用户信息,我们只需要编写跟这个业务有关的代码,其中包括,查询用户的SQL语句、查询结果与User对象之间的映射关系。其他流程性质的代码都封装在了JdbcTemplate类中,不需要我们每次都重新编写。我用JdbcTemplate重写了上面的例子,代码简单了很多,如下所示:

public class JdbcTemplateDemo {
private JdbcTemplate jdbcTemplate;
public User queryUser(long id) {
String sql = "select * from user where id="+id;
return jdbcTemplate.query(sql, new UserRowMapper()).get(0);
}
class UserRowMapper implements RowMapper<User> {
public User mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
User user = new User();
user.setId(rs.getLong("id"));
user.setName(rs.getString("name"));
user.setTelephone(rs.getString("telephone"));
return user;
}
}
}

那JdbcTemplate底层具体是如何实现的呢?我们来看一下它的源码。因为JdbcTemplate代码比较多,我只摘抄了部分相关代码,贴到了下面。其中,JdbcTemplate通过回调的机制,将不变的执行流程抽离出来,放到模板方法execute()中,将可变的部分设计成回调StatementCallback,由用户来定制。query()函数是对execute()函数的二次封装,让接口用起来更加方便。

@Override
public <T> List<T> query(String sql, RowMapper<T> rowMapper) throws DataAccessException {
return query(sql, new RowMapperResultSetExtractor<T>(rowMapper));
}
@Override
public <T> T query(final String sql, final ResultSetExtractor<T> rse) throws DataAccessException {
Assert.notNull(sql, "SQL must not be null");
Assert.notNull(rse, "ResultSetExtractor must not be null");
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Executing SQL query [" + sql + "]");
}
class QueryStatementCallback implements StatementCallback<T>, SqlProvider {
@Override
public T doInStatement(Statement stmt) throws SQLException {
ResultSet rs = null;
try {
rs = stmt.executeQuery(sql);
ResultSet rsToUse = rs;
if (nativeJdbcExtractor != null) {
rsToUse = nativeJdbcExtractor.getNativeResultSet(rs);
}
return rse.extractData(rsToUse);
}
finally {
JdbcUtils.closeResultSet(rs);
}
}
@Override
public String getSql() {
return sql;
}
}
return execute(new QueryStatementCallback());
}
@Override
public <T> T execute(StatementCallback<T> action) throws DataAccessException {
Assert.notNull(action, "Callback object must not be null");
Connection con = DataSourceUtils.getConnection(getDataSource());
Statement stmt = null;
try {
Connection conToUse = con;
if (this.nativeJdbcExtractor != null &&
this.nativeJdbcExtractor.isNativeConnectionNecessaryForNativeStatements()) {
conToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeConnection(con);
}
stmt = conToUse.createStatement();
applyStatementSettings(stmt);
Statement stmtToUse = stmt;
if (this.nativeJdbcExtractor != null) {
stmtToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeStatement(stmt);
}
T result = action.doInStatement(stmtToUse);
handleWarnings(stmt);
return result;
}
catch (SQLException ex) {
// Release Connection early, to avoid potential connection pool deadlock
// in the case when the exception translator hasn't been initialized yet.
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
stmt = null;
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
con = null;
throw getExceptionTranslator().translate("StatementCallback", getSql(action), ex);
}
finally {
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
}
}

应用举例二:setClickListener()

在客户端开发中,我们经常给控件注册事件监听器,比如下面这段代码,就是在Android应用开发中,给Button控件的点击事件注册监听器。

Button button = (Button)findViewById(R.id.button);
button.setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
System.out.println("I am clicked.");
}
});

从代码结构上来看,事件监听器很像回调,即传递一个包含回调函数(onClick())的对象给另一个函数。从应用场景上来看,它又很像观察者模式,即事先注册观察者(OnClickListener),当用户点击按钮的时候,发送点击事件给观察者,并且执行相应的onClick()函数。

我们前面讲到,回调分为同步回调和异步回调。这里的回调算是异步回调,我们往setOnClickListener()函数中注册好回调函数之后,并不需要等待回调函数执行。这也印证了我们前面讲的,异步回调比较像观察者模式。

应用举例三:addShutdownHook()

Hook可以翻译成“钩子”,那它跟Callback有什么区别呢?

网上有人认为Hook就是Callback,两者说的是一回事儿,只是表达不同而已。而有人觉得Hook是Callback的一种应用。Callback更侧重语法机制的描述,Hook更加侧重应用场景的描述。我个人比较认可后面一种说法。不过,这个也不重要,我们只需要见了代码能认识,遇到场景会用就可以了。

Hook比较经典的应用场景是Tomcat和JVM的shutdown hook。接下来,我们拿JVM来举例说明一下。JVM提供了Runtime.addShutdownHook(Thread hook)方法,可以注册一个JVM关闭的Hook。当应用程序关闭的时候,JVM会自动调用Hook代码。代码示例如下所示:

public class ShutdownHookDemo {
private static class ShutdownHook extends Thread {
public void run() {
System.out.println("I am called during shutting down.");
}
}
public static void main(String[] args) {
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new ShutdownHook());
}
}

我们再来看addShutdownHook()的代码实现,如下所示。这里我只给出了部分相关代码。

public class Runtime {
public void addShutdownHook(Thread hook) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("shutdownHooks"));
}
ApplicationShutdownHooks.add(hook);
}
}
class ApplicationShutdownHooks {
/* The set of registered hooks */
private static IdentityHashMap<Thread, Thread> hooks;
static {
hooks = new IdentityHashMap<>();
} catch (IllegalStateException e) {
hooks = null;
}
}
static synchronized void add(Thread hook) {
if(hooks == null)
throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");
if (hook.isAlive())
throw new IllegalArgumentException("Hook already running");
if (hooks.containsKey(hook))
throw new IllegalArgumentException("Hook previously registered");
hooks.put(hook, hook);
}
static void runHooks() {
Collection<Thread> threads;
synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
threads = hooks.keySet();
hooks = null;
}
for (Thread hook : threads) {
hook.start();
}
for (Thread hook : threads) {
while (true) {
try {
hook.join();
break;
} catch (InterruptedException ignored) {
}
}
}
}
}

从代码中我们可以发现,有关Hook的逻辑都被封装到ApplicationShutdownHooks类中了。当应用程序关闭的时候,JVM会调用这个类的runHooks()方法,创建多个线程,并发地执行多个Hook。我们在注册完Hook之后,并不需要等待Hook执行完成,所以,这也算是一种异步回调。

模板模式 VS 回调

回调的原理、实现和应用到此就都讲完了。接下来,我们从应用场景和代码实现两个角度,来对比一下模板模式和回调。

从应用场景上来看,同步回调跟模板模式几乎一致。它们都是在一个大的算法骨架中,自由替换其中的某个步骤,起到代码复用和扩展的目的。而异步回调跟模板模式有较大差别,更像是观察者模式。

从代码实现上来看,回调和模板模式完全不同。回调基于组合关系来实现,把一个对象传递给另一个对象,是一种对象之间的关系;模板模式基于继承关系来实现,子类重写父类的抽象方法,是一种类之间的关系。

前面我们也讲到,组合优于继承。实际上,这里也不例外。在代码实现上,回调相对于模板模式会更加灵活,主要体现在下面几点。

  • 像Java这种只支持单继承的语言,基于模板模式编写的子类,已经继承了一个父类,不再具有继承的能力。
  • 回调可以使用匿名类来创建回调对象,可以不用事先定义类;而模板模式针对不同的实现都要定义不同的子类。
  • 如果某个类中定义了多个模板方法,每个方法都有对应的抽象方法,那即便我们只用到其中的一个模板方法,子类也必须实现所有的抽象方法。而回调就更加灵活,我们只需要往用到的模板方法中注入回调对象即可。

还记得上一节课的课堂讨论题目吗?看到这里,相信你应该有了答案了吧?

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。

今天,我们重点介绍了回调。它跟模板模式具有相同的作用:代码复用和扩展。在一些框架、类库、组件等的设计中经常会用到。

相对于普通的函数调用,回调是一种双向调用关系。A类事先注册某个函数F到B类,A类在调用B类的P函数的时候,B类反过来调用A类注册给它的F函数。这里的F函数就是“回调函数”。A调用B,B反过来又调用A,这种调用机制就叫作“回调”。

回调可以细分为同步回调和异步回调。从应用场景上来看,同步回调看起来更像模板模式,异步回调看起来更像观察者模式。回调跟模板模式的区别,更多的是在代码实现上,而非应用场景上。回调基于组合关系来实现,模板模式基于继承关系来实现,回调比模板模式更加灵活。

课堂讨论

对于Callback和Hook的区别,你有什么不同的理解吗?在你熟悉的编程语言中,有没有提供相应的语法概念?是叫Callback,还是Hook呢?

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