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代码工艺：Spring Boot 防御式编程实践

article 2024/10/3 12:42:54

防御式编程是一种编程实践，其核心理念是编写代码时要假设可能会发生错误、异常或非法输入，并通过各种手段防止这些问题引发系统崩溃、错误行为或安全漏洞。该编程方法的目的是让程序在面对不可预测的情况（如输入数据异常、硬件故障、意外的用户行为等）时仍然能够安全、稳定地运行。防御式编程特别强调在开发阶段尽可能地考虑各种边界情况、异常处理和系统的健壮性。

在使用 Spring Boot 开发 Java 后端时，结合《代码大全 2》中的防御式编程思想，可以有效提升代码的健壮性、可维护性和安全性。以下是一些重要的防御式编程实践要点：

1. 参数验证和预防无效输入

原则： 所有外部输入（如 API 请求参数、表单输入等）都应该进行严格的验证，确保它们符合业务规则并且不会破坏系统的稳定性。
Spring Boot 实践：
- 使用 @Valid 和 @Validated 注解来自动验证请求体和方法参数。
- 借助 javax.validation.constraints 提供的注解（如 @NotNull, @Size, @Pattern）来声明性地定义字段验证规则。
- 如有复杂的自定义校验需求，可以实现 ConstraintValidator 进行自定义验证逻辑。

@PostMapping("/createUser")
public ResponseEntity<String> createUser(@Valid @RequestBody UserDto userDto) {
    // 请求体通过验证后，安全地处理逻辑
    return ResponseEntity.ok("User created");
}

2. 异常处理

原则： 捕获异常并提供有用的信息，而不是让异常未经处理直接向上传播，避免系统崩溃或泄漏敏感信息。
Spring Boot 实践：
- 使用全局异常处理器，如 @ControllerAdvice 和 @ExceptionHandler，集中管理异常处理，避免散落在各个控制器中。
- 为每种异常提供友好和清晰的错误响应，同时保证不会暴露内部实现细节。
- 对于未预料的异常，提供通用处理以保证系统稳定。

@ControllerAdvice
public class GlobalExceptionHandler {
    @ExceptionHandler(MethodArgumentNotValidException.class)
    public ResponseEntity<String> handleValidationExceptions(MethodArgumentNotValidException ex) {
        return ResponseEntity.badRequest().body("Invalid input");
    }

    @ExceptionHandler(Exception.class)
    public ResponseEntity<String> handleGeneralException(Exception ex) {
        // 避免泄漏堆栈信息，返回通用错误信息
        return ResponseEntity.status(HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR).body("An error occurred");
    }
}

3. 防止 Null 引发的异常

原则： 时刻保持对 null 值的警觉，防止因 NullPointerException 产生的不稳定因素。
Spring Boot 实践：
- 使用 Optional 来处理可能为 null 的返回值，避免直接操作可能为 null 的对象。
- 在服务或数据层代码中，明确处理 null 情况，避免隐式假设参数或返回值永不为 null。

public Optional<User> findUserById(Long id) {
    return userRepository.findById(id);
}

public ResponseEntity<String> getUser(Long id) {
    return findUserById(id)
        .map(user -> ResponseEntity.ok("User found"))
        .orElse(ResponseEntity.notFound().build());
}

4. 健壮的错误日志记录

原则： 错误日志应清晰、详细，但不能暴露敏感信息（如密码、密钥等），确保在发生问题时可以追踪并解决问题。
Spring Boot 实践：
- 使用 SLF4J 或 Logback 等日志框架，结合 @Slf4j 注解记录不同级别的日志信息。
- 确保在日志中只输出必要的信息，同时保护敏感数据不被泄漏。

@Slf4j
@Service
public class UserService {
    public void processUser(Long userId) {
        try {
            // 核心业务逻辑
        } catch (Exception ex) {
            log.error("Error processing user with id {}: {}", userId, ex.getMessage());
        }
    }
}

5. 确保线程安全

原则： 当应用中存在并发或异步处理时，确保对共享资源的正确同步，以避免数据竞争或死锁。
Spring Boot 实践：
- 在需要并发访问的类或方法中，使用线程安全的集合和类（如 ConcurrentHashMap, CopyOnWriteArrayList）。
- 使用 @Async 处理异步任务时，确保方法的执行不会引发共享资源的并发问题。
- 在涉及数据库操作时，使用合适的事务管理策略，确保数据的一致性。

@Service
public class AsyncService {
    @Async
    public CompletableFuture<String> processAsyncTask() {
        // 异步任务处理
        return CompletableFuture.completedFuture("Task Completed");
    }
}

6. 正确管理资源（关闭连接、文件等）

实践： 正确管理和释放资源，如数据库连接、文件流等，避免资源泄漏。
具体实现：
使用 Java 的 try-with-resources 语句自动关闭资源。

public void readFile(String filePath) {
    try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(filePath))) {
        String line;
        while ((line = reader.readLine()) != null) {
            // 处理文件内容
        }
    } catch (IOException e) {
        // 处理异常
    }
}

7. 幂等性设计

实践： 在设计 API 时，确保幂等性，即无论请求重复执行多少次，结果都应保持一致。幂等性可以防止重复提交导致数据不一致。
具体实现：
对于可能重复的请求（如支付或订单创建），可以引入唯一标识符（如 idempotency-key）来确保操作的幂等性。

@PostMapping("/processPayment")
public ResponseEntity<String> processPayment(@RequestHeader("Idempotency-Key") String idempotencyKey, @RequestBody PaymentRequest request) {
    if (paymentService.isPaymentProcessed(idempotencyKey)) {
        return ResponseEntity.ok("Payment already processed");
    }
    paymentService.processPayment(request, idempotencyKey);
    return ResponseEntity.ok("Payment processed successfully");
}

增强措施： 在数据库中保存操作的幂等性标记，如事务 ID 或 idempotency-key，确保即使发生网络问题或客户端重复提交，也不会引发重复的操作。

8. 事务管理和数据库一致性

实践： 使用 Spring 的事务管理机制（@Transactional 注解）确保数据库操作的原子性，避免数据不一致。
具体实现：
在处理多个数据库操作时，确保使用事务管理来避免数据一致性问题。

@Service
public class OrderService {

    @Transactional
    public void createOrder(Order order) {
        orderRepository.save(order);
        paymentService.processPayment(order);
        // 如果支付失败，整个事务回滚，避免订单数据不一致
    }
}