盤點 Spring Security 框架中的八大經典設計模式

帶你聊技術發表於2023-03-03
Spring框架設計模式

上次有小夥伴建議，原始碼分析太枯燥了，要是能夠結合設計模式一起來，這樣更有助於大家理解 Spring Security 原始碼，同時還能複習一波設計模式。

因此松哥今天就試著整一篇，和大家來聊一聊 Spring Security 中涉及到的設計模式，不過 Spring Security 中涉及到的設計模式還是非常多的，松哥這裡講幾個，剩下的歡迎小夥伴們留言補充。

1.模板方法模式

Template Pattern(模板方法模式)是一個抽象類公開定義了執行它的方法的模板。它的子類可以按需要重寫方法實現，但呼叫將以抽象類中定義的方式進行，這是一種行為型模式。

模板方法方式優點如下：

  • 在父類中提取了公共的部分程式碼，便於程式碼複用和擴充套件。
  • 部分方法是由子類實現的，子類可以透過擴充套件方式增加相應的功能，符合開閉原則。

缺點如下：

  • 對每個不同的實現都需要定義一個子類，導致類的個數增加，系統更加複雜，設計也更加抽象。
  • 父類中的抽象方法由子類實現，子類執行的結果會影響父類的結果，增加了程式碼理解難度。

介紹完模板方法模式，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。

我舉幾個簡單的例子。

第一個例子是 AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 類的設計。大家都知道這個類是用來做驗證的，認證的邏輯在這個方法中都定義好了，但是該類卻定義了兩個抽象方法：

  • retrieveUser 該方法使用者從資料來源中獲取使用者物件。
  • additionalAuthenticationChecks 該方法用來做額外的校驗（登入憑證的校驗）

這兩個抽象方法是在 DaoAuthenticationProvider 中實現的。DaoAuthenticationProvider 的實現就是從資料庫中載入使用者，預設檢驗登入憑證也都是驗證密碼。

如果你的資料來源來自其他地方，或者登入憑證不是密碼，那麼自定義類繼承自 AbstractUserDetailsAuthenticationProvider 並重寫它裡邊的這兩個方法即可。

2.責任鏈模式

Chain of Responsibility Pattern(責任鏈模式) ，在這種模式中，通常每個接收者都包含對另一個接收者的引用，如果一個物件不能處理該請求，那麼它會把相同的請求傳給下一個接收者，依此類推。在這個過程中，客戶只需要將請求傳送到責任鏈上即可，無須關心請求的處理細節和請求的傳遞過程，所以責任鏈將請求的傳送者和請求的處理者解耦了。

責任鏈模式優點如下：

  • 降低物件之間的耦合度。
  • 增強了系統的可擴充套件性。
  • 當工作流程發生變化，可以動態地改變鏈內的成員或者調動它們的次序。
  • 簡化了物件之間的連線，每個物件只需保持一個指向其後繼者的引用，不需保持其他所有處理者的引用。
  • 責任分擔，每個類只需要處理自己該處理的工作，符合類的單一職責原則。

缺點如下：

  • 對比較長的職責鏈，請求的處理可能涉及多個處理物件，系統效能將受到一定影響。
  • 職責鏈建立的合理性要靠客戶端來保證，增加了客戶端的複雜性。

很明顯，Spring Security 中的過濾器鏈就是一種責任鏈模式。一個請求到達後，被過濾器鏈中的過濾器逐個進行處理，過濾器鏈中的過濾器每個都具有不同的職能並且互不相擾，我們還可以透過 HttpSecurity 來動態配置過濾器鏈中的過濾器（即新增/刪除過濾器鏈中的過濾器）。

具體的程式碼在 FilterChainProxy$VirtualFilterChain 中，如下：

那麼接下來我們就來看看 VirtualFilterChain：

private static class VirtualFilterChain implements FilterChain {
 private final FilterChain originalChain;
 private final List<Filter> additionalFilters;
 private final FirewalledRequest firewalledRequest;
 private final int size;
 private int currentPosition = 0;
 private VirtualFilterChain(FirewalledRequest firewalledRequest,
   FilterChain chain, List<Filter> 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);
  }
 }
}
  1. VirtualFilterChain 類中首先宣告瞭 5 個全域性屬性，originalChain 表示原生的過濾器鏈，也就是 Web Filter；additionalFilters 表示 Spring Security 中的過濾器鏈；firewalledRequest 表示當前請求；size 表示過濾器鏈中過濾器的個數；currentPosition 則是過濾器鏈遍歷時候的下標。
  2. doFilter 方法就是 Spring Security 中過濾器挨個執行的過程，如果 currentPosition == size，表示過濾器鏈已經執行完畢，此時透過呼叫 originalChain.doFilter 進入到原生過濾鏈方法中，同時也退出了 Spring Security 過濾器鏈。否則就從 additionalFilters 取出 Spring Security 過濾器鏈中的一個個過濾器，挨個呼叫 doFilter 方法。nextFilter.doFilter 就是過濾器鏈挨個往下走。

關於 FilterChainProxy 的介紹，參見：深入理解 FilterChainProxy【原始碼篇】

3.策略模式

Strategy Pattern(策略模式)，它定義了一系列演演算法，將每一個演演算法封裝起來，並讓它們可以相互替換。策略模式讓演演算法獨立於使用它的客戶而變化，也稱為政策模式(Policy)。

策略模式的優點：

  • 策略模式提供了對“開閉原則”的完美支援，使用者可以在不修改原有系統的基礎上選擇具體的策略，也可以靈活地擴充套件新的策略。
  • 策略模式提供了管理相關的策略的方式。
  • 策略模式提供了可以替換繼承關係的辦法。
  • 使用策略模式可以避免使用多重條件轉移語句。

策略模式的缺點：

  • 客戶端必須知道所有的策略類，並自行決定使用哪一個策略類。
  • 策略模式將造成產生很多策略類（可以透過使用享元模式在一定程度上減少物件的數量）。

Spring Security 中使用策略模式的地方也有好幾個。

第一個就是使用者登入資訊儲存。

在 SecurityContextHolder 中定義登入使用者資訊儲存的方法，就定義了三種不同的策略：

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;
}

使用者可以自行選擇使用哪一種策略！具體參見：在 Spring Security 中，我就想從子執行緒獲取使用者登入資訊，怎麼辦？

還有一個就是 session 併發管理。

在 AbstractAuthenticationProcessingFilter#doFilter 方法中，有如下程式碼：

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

這就是一種策略模式。

Session 併發管理可以參考：

  • 什麼是會話固定攻擊？Spring Boot 中要如何防禦會話固定攻擊？
  • 叢集化部署，Spring Security 要如何處理 session 共享？

當然，這樣的例子還有很多，我就不一一列舉了。

4.代理模式

Proxy Pattern(代理模式) ：給某一個物件提供一個代理，並由代理物件控制對原物件的引用，它是一種物件結構型模式。

代理模式的優點：

  • 一定程度上降低了系統的耦合度。
  • 代理物件可以擴充套件目標物件的功能。
  • 代理物件可以保護目標物件。

缺點：

  • 在客戶端和真實物件之間增加了代理，可能會導致請求的處理速度變慢。
  • 增加了系統複雜度。

代理模式在 Spring Security 中最重要的應用就是 Spring Security 過濾器連結入 Web Filter 的過程，使用了 Spring 提供的 DelegatingFilterProxy，這就是一個典型的代理模式：

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);
 }
}

當然還有其他很多地方也用到代理模式，我就不一一列舉了，歡迎小夥伴們留言補充。

5.介面卡模式

Adapter Pattern(介面卡模式)，大家平時用的手機充電器學名叫做電源介面卡，它的作用是把 220V 的電壓轉為手機可用的 5V 電壓。所以介面卡模式其實也是類似作用，將一個介面轉換成客戶希望的另一個介面，介面卡模式使介面不相容的類可以一起工作。介面卡模式又分為類介面卡模式、物件介面卡模式以及介面介面卡模式。

介面卡模式的優點：

  • 解耦，透過引入一個介面卡類來重用現有的適配者類，而無須修改原有程式碼。
  • 增加了類的透明性和複用性。
  • 具有較好的靈活性和擴充套件性都。

缺點：

  • 由於 Java 不支援多重繼承，一次最多隻能適配一個適配者類，而且目標抽象類只能為抽象類，不能為具體類，其使用有一定的侷限性。

Spring Security 中的介面卡模式也是非常多的，例如我們最為常見的 WebSecurityConfigurerAdapter，該類讓兩個原本不相關的 WebSecurity 和 HttpSecurity 能夠在一起工作。

具體參見：深入理解 WebSecurityConfigurerAdapter【原始碼篇】

6.建造者模式

Builder Pattern(建造者模式)是將一個複雜物件的構建與它的表示分離，使得同樣的構建過程可以建立不同的物件出來，使用者只需要指定複雜物件的型別和內容就可以構建物件，而不需要知道內部的具體構建細節。

建造者模式優點：

  • 將產品本身與產品的建立過程解耦，使得相同的建立過程可以建立不同的產品物件，而客戶端不需要知道產品內部細節。
  • 每一個產品對應一個建造者，使用者使用不同的建造者可以建立不同的產品，建造者本身可以輕鬆修改或者新增。
  • 可以更加精細地控制產品的建立過程。

缺點：

  • 建立的產品需要有一定的相似性，如果差異過大，則不適合建造者模式。
  • 產品本身的複雜度會提高建造者的複雜度。

Spring Security 中對於建造者模式的使用也是非常多，例如典型的 AuthenticationManagerBuilder，它想要建造的物件是 AuthenticationManager，對應的建造方法則是 build。一般建造者模式中建造者類命名以 builder 結尾，而建造方法命名為 build()。

關於 AuthenticationManagerBuilder，參見：深入理解 AuthenticationManagerBuilder 【原始碼篇】 一文。

7.觀察者模式

Observer(觀察者模式)指多個物件間存在一對多的依賴關係，當一個物件的狀態發生改變時，所有依賴於它的物件都得到通知並自動更新，觀察者模式也稱為釋出-訂閱模式、模型-檢視模式，它是物件行為型模式。

觀察者模式優點：

  • 降低了目標與觀察者之間的耦合關係，兩者之間是抽象耦合關係。

缺點：

  • 目標與觀察者之間的依賴關係並沒有完全解除，而且有可能出現迴圈引用。
  • 當觀察者物件很多時，程式執行效率降低。

在 Spring 框架中，觀察者模式用於實現 ApplicationContext 的事件處理功能。Spring 為我們提供了 ApplicationEvent 類和 ApplicationListener 介面來啟用事件處理。Spring 應用程式中的任何 Bean 實現 ApplicationListener 介面，都會接收到 ApplicationEvent 作為事件釋出者推送的訊息。在這裡，事件釋出者是主題(Subject) 和實現 ApplicationListener 的 Bean 的觀察者(Observer)。

具體到 Spring Security 中，如登入成功事件釋出，session 銷燬事件等等，都算是觀察者模式。

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);
}

類似還有很多，如 session 銷燬事件等（參見Spring Security 自動踢掉前一個登入使用者，一個配置搞定！），我這裡就不一一列舉了。

8.裝飾模式

Decorator(裝飾模式)是指在不改變現有物件結構的情況下，動態地給該物件增加一些額外功能的模式。

裝飾模式的優點：

  • 可以靈活的擴充套件一個類的功能。

缺點：

  • 增加了許多子類，使程式變得很複雜。

Spring Security 中對於裝飾模式也有許多應用。最典型的就是一個請求在透過過濾器鏈的時候會不停的變，會不停的調整它的功能，透過裝飾模式設計出了請求的許多類，例如：

  • HeaderWriterRequest
  • FirewalledRequest
  • StrictHttpFirewall
  • SaveToSessionRequestWrapper
  • ...

等等，類似的很多，我就不一一贅述了。

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