设计模式：管道模式(Pipeline)

管道模式（Pipeline）不属于 GoF 提出的 23 种经典设计模式，但在工程中很常见。它与职责链模式相近，可看作其变体：数据/请求沿固定或可配置的处理阶段依次流动，每一阶段只做一类变换，再交给下一阶段。

模式定义

将复杂处理拆成多个独立、可组合的阶段（Stage / Handler / Pipe）。输入从管道一端进入，依次经过各阶段加工，从另一端得到输出。阶段之间通过统一的上下文或消息传递数据，彼此尽量解耦。

常见别名：流水线模式、Pipe-Filter（管道-过滤器）。

模式优缺点

优点

• 单一职责：每阶段只关心一种变换，易测、易替换。
• 可组合：增删、重排阶段即可改变流程，而不必改调用方。
• 便于并行/异步：部分流水线可对无依赖阶段做并行或背压控制（需额外设计）。

缺点

• 阶段过多时，调试与追踪成本上升（需统一日志/追踪上下文）。
• 若阶段间共享可变大对象，易出现隐蔽耦合与线程安全问题。
• 不适合强分支、强回退的复杂状态机（此时更宜用状态模式或工作流引擎）。

模式结构

包含角色

角色	职责
Pipeline（管道）	持有阶段列表，按序驱动执行，对外提供统一入口
Stage / Handler（阶段）	接收上下文，完成一步处理，再交给下一阶段
Context / Payload（上下文）	在阶段间传递的数据与中间状态
Client（客户端）	组装管道并提交初始输入

结构示意

Client
  │  submit(input)
  ▼
Pipeline
  │
  ├─ Stage1.process(ctx) ──► Stage2.process(ctx) ──► … ──► StageN.process(ctx)
  │
  ▼
output / ctx.result

代码示例（Java 示意）

public interface Stage {
    void process(PipelineContext ctx);
}

public class PipelineContext {
    private Object input;
    private Object result;
    // getters/setters...
}

public class Pipeline {
    private final List<Stage> stages = new ArrayList<>();

    public Pipeline add(Stage stage) {
        stages.add(stage);
        return this;
    }

    public PipelineContext execute(Object input) {
        PipelineContext ctx = new PipelineContext();
        ctx.setInput(input);
        for (Stage stage : stages) {
            stage.process(ctx);
        }
        return ctx;
    }
}

// 使用
Pipeline pipeline = new Pipeline()
        .add(new ValidateStage())
        .add(new TransformStage())
        .add(new PersistStage());
PipelineContext out = pipeline.execute(request);

说明：上例为同步串行管道。Netty 的 ChannelPipeline、Servlet Filter Chain、编译器前后端流水线等，是同一思想在不同领域的实现。

相关的模式

模式	关系
职责链	最相近。职责链常强调「谁能处理谁接手、可能短路」；管道更强调「按序必经各阶段加工」。
装饰器	包装增强同一对象；管道是多个阶段依次变换数据流。
模板方法	固定算法骨架；管道把步骤外置为可插拔阶段列表。
观察者	事件广播；管道是单向、有序的数据加工链。

适用场景

• 请求处理：鉴权 → 限流 → 业务 → 审计 → 响应封装。
• ETL / 数据清洗：抽取 → 校验 → 转换 → 加载。
• 多媒体/编译：解码 → 滤镜 → 编码；词法 → 语法 → 优化 → 生成。
• 消息中间件消费：反序列化 → 校验 → 业务 → 确认。

应用示例

• **Netty ChannelPipeline**：入站/出站 Handler 链式处理 ByteBuf 与业务消息。
• Servlet / Spring Filter：过滤器链对 HTTP 请求做横切处理。
• CI/CD Pipeline：构建 → 测试 → 扫描 → 部署各 Stage。
• Unix 管道：cmd1 | cmd2 | cmd3，标准输出接到下一命令标准输入。

典型应用

在业务系统中，常把「下单」「支付回调」「内容审核」等流程配置成可编排管道，使规则变更只需增删 Stage，而不改核心交易代码。注意：若阶段间存在复杂补偿与回滚，需额外引入事务消息或 Saga，管道本身不解决分布式一致性。

相关参考

• The Pipeline Pattern for Fun and for Profit
• 腾讯云社区：管道模式相关讨论
• GoF《设计模式》：可对照「职责链」理解差异