【设计模式深度剖析】【6】【结构型】【外观模式】| 以电脑开关按钮为例，并结合微服务架构的API网关加深理解

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外观模式（Facade Pattern）

外观模式（Facade Pattern），如同一位精明的“外交官”，它简化了客户端与复杂子系统之间的交互，通过提供一个统一的“外交”接口，使得客户端无需深究子系统内部的“政治斗争”，从而降低了系统的复杂度，提高了代码的可维护性和可读性。

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定义

英文原文

Facade Pattern provides a unified interface to a set of interfaces in a subsystem. Facade defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.

直译

外观模式为子系统中的一组接口提供了一个统一的接口。外观定义了一个更高层次的接口，使得子系统更加容易使用。

如何理解呢？

字面理解

外观即外表、外观面，是事物对外展示的一面。

代码实现中的理解

在代码实现中，外观角色就像是系统的“外表”，它隐藏了内部的子系统细节，为客户端提供了一个统一的接口来访问子系统。

生活案例：操作多功能料理机

想象一下，当我们正在使用一个复杂的厨房设备，比如多功能料理机。这个料理机内部可能包含了榨汁机、搅拌机、研磨机等多种功能。

但是，我们并不需要直接操作这些功能，只需要通过一个简单的控制面板就能完成我们想要的操作。

这个控制面板就是外观模式的一个实际应用。它隐藏了料理机内部的复杂性，为我们提供了一个简单、直观的操作方式。

同样地，在软件系统中，外观模式也为我们隐藏了复杂的内部结构和交互，使得我们能够更加方便地使用系统。

典型案例分析：API网关与外观模式

微服务架构中的API网关，为客户端提供了统一的访问入口，是进入系统的唯一节点，这与外观模式的定义相符。API网关封装了内部系统的架构，并且提供API给各个客户端。

网关处理非业务逻辑（如认证、授权、负载均衡、缓存、熔断、降级、限流等），使得业务微服务更加专注于业务实现。

具体表现为：

1. 隐藏后端服务的复杂性

   在微服务架构中，后端通常包含多个独立的服务，每个服务都有自己的接口、功能和数据。这些服务之间可能存在复杂的依赖关系和交互逻辑。API网关作为一个中间件，隐藏了这些复杂性，为前端提供了一个统一、简洁的接口。前端开发者无需为每一个后端微服务单独配置地址和端口，只需要知道API网关的地址即可。因此，前端开发者无需关心后端服务的具体实现和部署情况，只需与API网关进行交互即可。

2. 服务聚合

   当一个前端请求需要多个后端微服务协同处理时，API网关可以聚合这些微服务的响应，并将结果合并后返回给前端。

   API网关能够隐藏后端服务的复杂性，这减少了前端的复杂性，为前端提供一个简洁的响应，使得前端能够专注于与用户的交互和展示逻辑。

3. 统一接口和协议

   API网关为前端提供了统一的接口和协议，使得前端开发者能够以统一的方式与后端服务进行通信。这样，即使后端服务的接口发生变化或新增了服务，只要API网关的接口保持不变，前端代码就无需修改。这种统一性减少了前端与后端之间的耦合度，使得前端可以更加灵活地与后端进行交互。

4. 认证和授权

   API网关可以实施身份验证和授权机制，确保只有合法的用户、经过认证的请求才能访问后端服务。

   它可以通过OAuth2.0、JWT等技术实现用户认证和令牌管理，保护后端服务免受非法访问。API网关成为安全性的守护者，为后端服务提供一层保护。

5. 限流和熔断：

   API网关可以对流量进行限制，防止后端服务因过载而崩溃。

   当某个微服务出现故障时，API网关可以自动熔断对该微服务的调用，避免故障扩散到其他服务，避免级联故障的发生。

   API网关能够控制和管理后端服务的访问，确保系统的稳定性和可靠性。

6. 路由和请求转发

   API网关能够根据预设的路由规则，将前端的请求转发到后端对应的服务上。这种路由机制使得前端无需关心后端服务的具体地址和端口，只需发送请求到API网关即可。同时，API网关还可以根据服务的负载情况、健康状况等因素进行负载均衡和容错处理，进一步降低前端与后端之间的耦合度。

7. 负载均衡

   一个网关可以接收多个服务实例，因此网关需要在各个对等的服务实例上做负载均衡策略。

8. 降低服务间的耦合度

   通过将非业务逻辑（如路由、转发、认证、授权、熔断、限流等）放在API网关中实现，可以使得后台业务微服务更加专注于业务逻辑的实现，实现业务与技术的解耦。

   通过API网关的路由转发机制，前端与后端之间的耦合度被大大降低。前端开发者无需关心后端服务的具体实现和部署情况，只需与API网关进行交互即可。同时，后端服务无需直接关注前端发送的具体请求细节，包括请求的参数、格式等，同时也无需直接处理针对前端的响应格式。它们只需按照与API网关或其他服务调用者约定的接口规范，处理接收到的请求数据，并返回符合规范的数据格式。

9. 日志和监控：

   API网关可以记录所有经过的请求日志，方便后续的故障排查、性能分析和安全审计。

   收集API的调用量、响应时间、错误率等关键指标，为系统监控和性能调优提供数据支持。

通过外观模式的实现，API网关在前后端分离的微服务架构中发挥着至关重要的作用。它简化了前端的配置和开发过程，提高了系统的可扩展性、可靠性和安全性。同时，API网关还提供了路由、认证、限流、监控等核心功能，使得微服务架构更加完善和高效。

外观模式角色

UML类图

外观（Facade）

为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，此界面使得这一子系统更加容易使用。

子系统（Subsystem）

实现系统的部分功能，客户可以通过外观角色与其进行交互。

客户（Client）

通过外观角色与子系统交互，使用子系统的功能。

代码示例

子系统角色：SubsystemOne

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.classicdemo;

// 子系统角色：SubsystemOne
public class SubsystemOne {
    public void methodOne() {
        System.out.println("SubsystemOne: Method 1 executed.");
    }
}  

子系统角色：SubsystemTwo

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.classicdemo;

// 子系统角色：SubsystemTwo  
public class SubsystemTwo {
    public void methodTwo() {
        System.out.println("SubsystemTwo: Method 2 executed.");
    }
}  

外观角色：Facade

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.classicdemo;

// 外观角色：Facade  
public class Facade {
    private SubsystemOne subsystemOne;
    private SubsystemTwo subsystemTwo;

    public Facade() {
        subsystemOne = new SubsystemOne();
        subsystemTwo = new SubsystemTwo();
    }

    // 提供单独调用子系统一的方法  
    public void operationOne() {
        subsystemOne.methodOne();
    }

    // 提供单独调用子系统二的方法  
    public void operationTwo() {
        subsystemTwo.methodTwo();
    }

    // 提供同时调用两个子系统方法的方法  
    public void operation() {
        operationOne();
        operationTwo();
    }
}  

客户端角色：Client

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.classicdemo;


// 客户端角色：Client  
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Facade facade = new Facade();

        // 单独调用子系统一的方法  
        facade.operationOne();
        System.out.println("------------------");

        // 单独调用子系统二的方法  
        facade.operationTwo();
        System.out.println("------------------");

        // 同时调用两个子系统的方法  
        facade.operation();
    }
}
/* Output:
SubsystemOne: Method 1 executed.
------------------
SubsystemTwo: Method 2 executed.
------------------
SubsystemOne: Method 1 executed.
SubsystemTwo: Method 2 executed.
*///~

外观模式的应用

外观模式就像是我们日常生活中使用的智能手机界面。手机内部可能包含了各种复杂的硬件和软件，但对外，我们只需要通过一个简单、直观的界面就能完成打电话、发信息、拍照、上网等各种功能。这个界面就是外观模式的一个应用，它隐藏了内部的复杂性，为用户提供了一个统一的、简单的操作方式。

外观模式的优点

1. 简化操作：外观模式为用户提供了一个统一的接口，用户无需了解内部复杂的结构，只需通过外观接口就能完成所需的操作。
2. 降低耦合度：外观模式使得子系统之间的耦合度降低，因为它们之间的交互都是通过外观接口进行的，而不是直接交互。
3. 提高灵活性：当子系统内部发生变化时，只需要修改外观接口的实现，而无需修改客户端代码，提高了系统的灵活性。

外观模式的缺点

1. 增加复杂性：在某些情况下，如果设计不当，外观类可能会变得非常复杂，从而增加了系统的复杂性。
2. 依赖风险：由于客户端都依赖于外观接口，因此如果外观接口设计不合理或出现问题，可能会导致整个系统的崩溃。

外观模式的使用场景

1. 子系统之间交互复杂：当系统内部有多个子系统，并且子系统之间的交互非常复杂时，可以使用外观模式来简化它们之间的交互。
2. 需要隐藏子系统细节：在某些情况下，我们可能不希望用户或客户端直接访问子系统的内部细节。此时，可以使用外观模式来隐藏这些细节，只提供一个统一的接口供用户访问。
3. 提高系统灵活性和可扩展性：当系统需要经常添加或删除子系统时，使用外观模式可以使得客户端代码不随子系统的变化而变化，从而提高了系统的灵活性和可扩展性。

示例解析：电脑开关按钮

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我们可以使用“电脑开关机”作为一个更简单且常见的外观模式例子。

电脑内部有很多复杂的硬件和软件组件，如处理器、内存、硬盘、操作系统等。但是，当我们想要打开电脑或关闭电脑时，我们并不需要直接与这些组件交互，而是通过一个统一的接口——电源开关按钮来完成。

我们并不需要了解电脑内部复杂的构造和工作原理，只需要按下电源开关按钮，电脑就会开始启动；再次按下按钮，电脑就会关机。

电源开关按钮就是外观模式的一个实际应用，它隐藏了电脑内部复杂的启动和关闭过程，为用户提供了一个简单、直观的操作方式。

代码示例

UML类图

子系统角色：电脑内部的复杂组件

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.computerfacade;

// 电脑内部的复杂组件（这里只是示意）
public class ComputerHardware {
    public void startUp() {
        System.out.println("Starting up the computer...");
        // 这里会执行一系列复杂的启动过程，如加载操作系统、初始化硬件等  
    }

    public void shutDown() {
        System.out.println("Shutting down the computer...");
        // 这里会执行一系列复杂的关闭过程，如保存数据、关闭应用程序、关闭硬件等  
    }
}  

外观类（电源开关按钮）

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.computerfacade;

// 外观类（电源开关按钮）
public class PowerButton {
    private ComputerHardware hardware;

    public PowerButton() {
        hardware = new ComputerHardware();
    }

    // 统一的接口，用户只需调用此方法即可启动电脑  
    public void pressToStart() {
        hardware.startUp();
    }

    // 统一的接口，用户只需调用此方法即可关闭电脑  
    public void pressToShutDown() {
        hardware.shutDown();
    }
}  
  

客户端

package com.polaris.designpattern.list2.structural.pattern6.facade.computerfacade;


// 客户端代码（用户）  
public class User {
    public static void main(String[] args) {
        PowerButton powerButton = new PowerButton();
        powerButton.pressToStart(); // 启动电脑  
        // ... 用户使用电脑 ...  
        powerButton.pressToShutDown(); // 关闭电脑  
    }
}

/* Output:
Starting up the computer...
Shutting down the computer...
*///~

在这个代码示例中，

ComputerHardware 类代表电脑内部的复杂组件，它提供了启动和关闭电脑的方法。

PowerButton 类是外观类，它隐藏了电脑内部复杂的启动和关闭过程，并为用户提供了一个统一的接口——电源开关按钮。

用户（即客户端）只需要与 PowerButton 类交互，就能控制电脑的启动和关闭，而无需关心电脑内部是如何工作的。

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