设计模式总结

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设计模式总结

彦帧要努力 2018-09-03 21:07:00 浏览632
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设计模式概述

                                      面向对象七大设计原则
设计原则名称 定 义 补充
开闭原则(Open-Closed Principle, OCP) 软件实体应对扩展开放,而对修改关闭 如果每次需求变动都去修改原有的代码,那原有的代码就存在被修改错误的风险,当然这其中存在有意和无意的修改,都会导致原有正常运行的功能失效的风险,这样很有可能会展开可怕的蝴蝶效应,使维护工作剧增。我们写完的代码,不能因为需求变化就修改。我们可以通过新增代码的方式来解决变化的需求。开闭原则是设计模式的第一大原则,它的潜台词是:控制需求变动风险,缩小维护成本。
单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP) 一个类只负责一个功能领域中的相应职责 这也是灵活的前提,如果我们把类拆分成最小的职能单位,那组合与复用就简单的多了,如果一个类做的事情太多,在组合的时候,必然会产生不必要的方法出现,这实际上是一种污染。单一职责的潜台词是:拆分到最小单位,解决复用和组合问题。
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP) 所有引用基类对象的地方能够透明地使用其子类的对象 此原则的含义是子类可以在任何地方替换它的父类。解释一下,这是多态的前提,我们后面很多所谓的灵活,都是不改变声明类型的情况下,改变实例化类来完成的需求变更。当然,继承的特性看似天然就满足这个条件。但这里更注重的是继承的应用问题,我们必须保证我们的子类和父类划分是精准的。里氏替换原则的潜台词是:尽量使用精准的抽象类或者接口。
依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle, DIP) 抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象 依赖倒置原则就是要求调用者和被调用者都依赖抽象,这样两者没有直接的关联和接触,在变动的时候,一方的变动不会影响另一方的变动。其实,依赖倒置和前面的原则是相辅相成的,都强调了抽象的重要性。依赖倒置的潜台词是:面向抽象编程,解耦调用和被调用者。
接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP) 使用多个专门的接口,而不使用单一的总接口 接口隔离原则可以说是单一职责的必要手段,它的含义是尽量使用职能单一的接口,而不使用职能复杂、全面的接口。很好理解,接口是为了让子类实现的,如果子类想达到职能单一,那么接口也必须满足职能单一。相反,如果接口融合了多个不相关的方法,那它的子类就被迫要实现所有方法,尽管有些方法是根本用不到的。这就是接口污染。接口隔离原则的潜台词是:拆分,从接口开始。
合成复用原则(Composite Reuse Principle, CRP) 尽量使用对象组合,而不是继承来达到复用的目的 如果只是达到代码复用的目的,尽量使用组合与聚合,而不是继承。这里需要解释一下,组合聚合只是引用其他的类的方法,而不会受引用的类的继承而改变血统。继承的耦合性更大,比如一个父类后来添加实现一个接口或者去掉一个接口,那子类可能会遭到毁灭性的编译错误,但如果只是组合聚合,只是引用类的方法,就不会有这种巨大的风险,同时也实现了复用。组合聚合复用原则的潜台词是:我只是用你的方法,我们不一定是同类。
迪米特法则(Law of Demeter, LoD) 一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用 迪米特原则要求尽量的封装,尽量的独立,尽量的使用低级别的访问修饰符。这是封装特性的典型体现。一个类如果暴露太多私用的方法和字段,会让调用者很茫然。并且会给类造成不必要的判断代码。所以,我们使用尽量低的访问修饰符,让外界不知道我们的内部。这也是面向对象的基本思路。另外,迪米特原则要求类之间的直接联系尽量的少,两个类的访问,通过第三个中介类来实现。迪米特原则的潜台词是:不和陌生人说话,有事找中介。

在学习面向对象七大设计原则时需要注意以下几点:
a) 高内聚、低耦合和单一职能的“冲突”
实际上,这两者是一回事。内聚,要求一个类把所有相关的方法放在一起,初看是职能多,但有个“高”,就是要求把联系非常紧密的功能放在一起,也就是说,从整体看,是一个职能的才能放在一起,所以,两者是不同的表述而已。
这里很多人理解成复合类,但复合类不是高内聚,而是杂乱的放在一起,是一种设计失误而已。
b)多个单一职能接口的灵活性和声明类型问题
如果一个类实现多个接口,那么这个类应该用哪个接口类型声明呢?应该是用一个抽象类来继承多个接口,而实现类来继承抽象类。声明的时候,类型是抽象类。
c) 迪米特原则和中介类泛滥两种极端情况
这是另一种设计的失误。迪米特原则第一要义:从被依赖者的角度来说,只暴露应该暴露的方法或者属性,即在编写相关的类的时候确定方法/属性的权限。迪米特原则第二要义:从依赖者的角度来说,只依赖应该依赖的对象。迪米特原则要求不直接相关类之间要用中介来通讯,但类多了以后,会造成中介类泛滥的情况,这种情况,我们可以考虑中介模式,用一个总的中介类来实现。当然,设计模式都有自己的缺陷,迪米特原则也不是十全十美,交互类非常繁多的情况下,要适当的牺牲设计原则。
d) 继承和组合聚合复用原则的“冲突”
继承也能实现复用,那这个原则是不是要抛弃继承了?不是的。
继承更注重的是“血统”,也就是什么类型的。而组合聚合更注重的是借用“技能”。并且,组合聚合中,两个类是部分与整体的关系,组合聚合可以由多个类的技能组成。这个原则不是告诉我们不用继承了,都用组合聚合,而是在“复用”这个点上,我们优先使用组合聚合。
基于以上设计原则,GoF(设计模式总结4人组)总结了软件开发领域的23个经典设计模式。虽然GoF设计模式只有23个,但是它们各具特色,每个模式都为某一个可重复的设计问题提供了一套解决方案。根据它们的用途,设计模式可分为创建型(Creational),结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种,其中创建型模式主要用于描述如何创建对象,结构型模式主要用于描述如何实现类或对象的组合,行为型模式主要用于描述类或对象怎样交互以及怎样分配职责,在GoF 23种设计模式中包含5种创建型设计模式、7种结构型设计模式和11种行为型设计模式。此外,根据某个模式主要是用于处理类之间的关系还是对象之间的关系,设计模式还可以分为类模式和对象模式。我们经常将两种分类方式结合使用,如单例模式是对象创建型模式,模板方法模式是类行为型模式。
值得一提的是,有一个设计模式虽然不属于GoF 23种设计模式,但一般在介绍设计模式时都会对它进行说明,它就是简单工厂模式,也许是太“简单”了,GoF并没有把它写到那本经典著作中,不过现在大部分的设计模式书籍都会对它进行专门的介绍。

                                 常用设计模式一览表
类型 模式名称 学习难度 使用频率
创建型模式(Creational Pattern) 单例模式(Singleton Pattern)
创建型模式(Creational Pattern) 简单工厂模式(Simple Factory Pattern)
创建型模式(Creational Pattern) 工厂方法模式(Factory Method Pattern)
创建型模式(Creational Pattern) 抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)
创建型模式(Creational Pattern) 原型模式(Prototype Pattern)
创建型模式(Creational Pattern) 建造者模式(Builder Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 适配器模式(Adapter Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 桥接模式(Bridge Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 组合模式(Composite Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 装饰模式(Decorator Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 外观模式(Façade Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 享元模式(Flyweight Pattern)
结构型模式(Structural Pattern) 代理模式(Proxy Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 职责链模式(Chain of Responsibility Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 命令模式(Command Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 解释器模式(Interpreter Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 迭代器模式(Iterator Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 中介者模式(Mediator Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 备忘录模式(Memento Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 观察者模式(Observer Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 状态模式(State Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 策略模式(Strategy Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 模板方法模式(Template Method Pattern)
行为型模式(Behavioral Pattern) 访问者模式(Visitor Pattern)

设计模式详解

创建型模式(Creational Pattern)

单例模式(Singleton Pattern)

单例模式(Singleton Pattern):确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。单例模式是一种对象创建型模式。
单例模式有三个要点:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。
在单例类的内部实现只生成一个实例,同时它提供一个静态的getInstance()工厂方法,让客户可以访问它的唯一实例;为了防止在外部对其实例化,将其构造函数设计为私有;在单例类内部定义了一个Singleton类型的静态对象,作为外部共享的唯一实例。
单例写法
饿汉式--在类初始化时生成初始化实例对象。

public SingletonInstance{
  private static Instance instance = new Instance();

  public static Instance getInstance(){
          return instance;
  } 
}

懒汉式写法--双重检查锁定和延迟初始化
写法一:

 private static Instance instance;

 public static synchronized Instance getInstance(){ 
    if (instance == null){ 
         instance = new Instance(); 
     } 
     return instance; 
 } 
} 

这种做法的问题是很明显的,每一次读取instance都需要同步,可能会对性能产生较大的影响。
写法二:

public static Instance getInstance(){ 
    if (instance == null){ 
         synchronized(UnsafeLazyInit.classs){ 
             if (instance == null){ 
                  instance = new Instance(); 
               } 
          } 
     } 
     return instance; 
  } 
} 

这种方案看似解决了上面两种方案都存在的问题,但是也是有问题的。
问题根源

instance = new Instance();

这一条语句在实际执行中,可能会被拆分程三条语句,如下:

memory = allocate(); //1
createInstance(memory); //2 
instance = memory; //3 

根据重排序规则,后两条语句不存在数据依赖,因此是可以进行重排序的。重排序之后,就意味着,instance域在被赋值了之后,指向的对象可能尚未初始化完成,而instance域是一个静态域,可以被其他线程读取到,那么其他线程就可以读取到尚未初始化完成的instance域。
基于volatile的解决方案
要解决这个办法,只需要禁止语句2和语句3进行重排序即可,因此可以使用volatile来修改instance就能做到了。

private volatile static Instance instance;

因为Volatile语义会禁止编译器将volatile写之前的操作重排序到volatile之后。

写法三:

public class InstanceFactory {
    private static class InstanceHolder {
        public static Instance instance = new Instance();
    }

    public static Instance getInstance() {
        return InstanceHolder.instance ;  //这里将导致InstanceHolder类被初始化
    }
}

单例模式总结
1.主要优点
(1) 单例模式提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它。
(2) 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象单例模式无疑可以提高系统的性能。
(3) 允许可变数目的实例。基于单例模式我们可以进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例,既节省系统资源,又解决了单例单例对象共享过多有损性能的问题。
2.主要缺点
(1) 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
(2) 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
(3) 现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的共享对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致共享的单例对象状态的丢失。
3.适用场景
(1) 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
(2) 客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点,除了该公共访问点,不能通过其他途径访问该实例。

简单工厂模式

简单工厂模式(Simple Factory Pattern):定义一个工厂类,它可以根据参数的不同返回不同类的实例,被创建的实例通常都具有共同的父类。因为在简单工厂模式中用于创建实例的方法是静态(static)方法,因此简单工厂模式又被称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式,它属于类创建型模式。UML图如下:


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简单工厂模式结构图

在简单工厂模式结构图中包含如下几个角色:
● Factory(工厂角色):工厂角色即工厂类,它是简单工厂模式的核心,负责实现创建所有产品实例的内部逻辑;工厂类可以被外界直接调用,创建所需的产品对象;在工厂类中提供了静态的工厂方法factoryMethod(),它的返回类型为抽象产品类型Product。
● Product(抽象产品角色):它是工厂类所创建的所有对象的父类,封装了各种产品对象的公有方法,它的引入将提高系统的灵活性,使得在工厂类中只需定义一个通用的工厂方法,因为所有创建的具体产品对象都是其子类对象。
● ConcreteProduct(具体产品角色):它是简单工厂模式的创建目标,所有被创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。每一个具体产品角色都继承了抽象产品角色,需要实现在抽象产品中声明的抽象方法。

在简单工厂模式中,客户端通过工厂类来创建一个产品类的实例,而无须直接使用new关键字来创建对象,它是工厂模式家族中最简单的一员。
在使用简单工厂模式时,首先需要对产品类进行重构,不能设计一个包罗万象的产品类,而需根据实际情况设计一个产品层次结构,将所有产品类公共的代码移至抽象产品类,并在抽象产品类中声明一些抽象方法,以供不同的具体产品类来实现。

简单工厂模式总结
简单工厂模式提供了专门的工厂类用于创建对象,将对象的创建和对象的使用分离开,它作为一种最简单的工厂模式在软件开发中得到了较为广泛的应用。

  1. 主要优点
    (1) 工厂类包含必要的判断逻辑,可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例,客户端可以免除直接创建产品对象的职责,而仅仅“消费”产品,简单工厂模式实现了对象创建和使用的分离。
    (2) 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名,只需要知道具体产品类所对应的参数即可,对于一些复杂的类名,通过简单工厂模式可以在一定程度减少使用者的记忆量。
    (3) 通过引入配置文件,可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类,在一定程度上提高了系统的灵活性。
  2. 主要缺点
    (1) 由于工厂类集中了所有产品的创建逻辑,职责过重,一旦不能正常工作,整个系统都要受到影响。
    (2) 使用简单工厂模式势必会增加系统中类的个数(引入了新的工厂类),增加了系统的复杂度和理解难度。
    (3) 系统扩展困难,一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑,在产品类型较多时,有可能造成工厂逻辑过于复杂,不利于系统的扩展和维护。
    (4) 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法,造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。
  3. 适用场景
    (1) 工厂类负责创建的对象比较少,由于创建的对象较少,不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。
    (2) 客户端只知道传入工厂类的参数,对于如何创建对象并不关心。

工厂模式

简单工厂模式虽然简单,但存在一个很严重的问题。当系统中需要引入新产品时,由于静态工厂方法通过所传入参数的不同来创建不同的产品,这必定要修改工厂类的源代码,将违背“开闭原则”,如何实现增加新产品而不影响已有代码?工厂方法模式应运而生。
在简单工厂模式中只提供一个工厂类,该工厂类处于对产品类进行实例化的中心位置,它需要知道每一个产品对象的创建细节,并决定何时实例化哪一个产品类。简单工厂模式最大的缺点是当有新产品要加入到系统中时,必须修改工厂类,需要在其中加入必要的业务逻辑,这违背了“开闭原则”。此外,在简单工厂模式中,所有的产品都由同一个工厂创建,工厂类职责较重,业务逻辑较为复杂,具体产品与工厂类之间的耦合度高,严重影响了系统的灵活性和扩展性,而工厂方法模式则可以很好地解决这一问题。
在工厂方法模式中,不再提供一个统一的工厂类来创建所有的产品对象,而是针对不同的产品提供不同的工厂,系统提供一个与产品等级结构对应的工厂等级结构。
在工厂方法模式结构图中包含如下几个角色:
● Product(抽象产品):它是定义产品的接口,是工厂方法模式所创建对象的超类型,也就是产品对象的公共父类。
● ConcreteProduct(具体产品):
它实现了抽象产品接口,某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建,具体工厂和具体产品之间一一对应。
● Factory(抽象工厂):在抽象工厂类中,声明了工厂方法(Factory Method),用于返回一个产品。抽象工厂是工厂方法模式的核心,所有创建对象的工厂类都必须实现该接口。
● ConcreteFactory(具体工厂):
它是抽象工厂类的子类,实现了抽象工厂中定义的工厂方法,并可由客户端调用,返回一个具体产品类的实例。

与简单工厂模式相比,工厂方法模式最重要的区别是引入了抽象工厂角色,抽象工厂可以是接口,也可以是抽象类或者具体类。下图是以日志记录器为例的工厂模式。


img_6d488b53e5a7931b034ac476aae954f6.png
日志记录器结构图

工厂方法模式总结
工厂方法模式是简单工厂模式的延伸,它继承了简单工厂模式的优点,同时还弥补了简单工厂模式的不足。工厂方法模式是使用频率最高的设计模式之一,是很多开源框架和API类库的核心模式。

  1. 主要优点
    (1) 在工厂方法模式中,工厂方法用来创建客户所需要的产品,同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节,用户只需要关心所需产品对应的工厂,无须关心创建细节,甚至无须知道具体产品类的类名。
    (2) 基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够让工厂可以自主确定创建何种产品对象,而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式,就正是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
    (3) 使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时,无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口,无须修改客户端,也无须修改其他的具体工厂和具体产品,而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了,这样,系统的可扩展性也就变得非常好,完全符合“开闭原则”。
  2. 主要缺点
    (1) 在添加新产品时,需要编写新的具体产品类,而且还要提供与之对应的具体工厂类,系统中类的个数将成对增加,在一定程度上增加了系统的复杂度,有更多的类需要编译和运行,会给系统带来一些额外的开销。
    (2) 由于考虑到系统的可扩展性,需要引入抽象层,在客户端代码中均使用抽象层进行定义,增加了系统的抽象性和理解难度,且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术,增加了系统的实现难度。
  3. 适用场景
    (1) 客户端不知道它所需要的对象的类。在工厂方法模式中,客户端不需要知道具体产品类的类名,只需要知道所对应的工厂即可,具体的产品对象由具体工厂类创建,可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。
    (2) 抽象工厂类通过其子类来指定创建哪个对象。在工厂方法模式中,对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口,而由其子类来确定具体要创建的对象,利用面向对象的多态性和里氏代换原则,在程序运行时,子类对象将覆盖父类对象,从而使得系统更容易扩展。

抽象工厂

由于工厂方法模式中的每个工厂只生产一类产品,可能会导致系统中存在大量的工厂类,势必会增加系统的开销。此时,我们可以考虑将一些相关的产品组成一个“产品族”,由同一个工厂来统一生产,这就是抽象工厂模式的基本思想。
在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品,每一个具体工厂对应一种具体产品,工厂方法具有唯一性,一般情况下,一个具体工厂中只有一个或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们希望一个工厂可以提供多个产品对象,而不是单一的产品对象,如一个电器工厂,它可以生产电视机、电冰箱、空调等多种电器,而不是只生产某一种电器。为了更好地理解抽象工厂模式,我们先引入两个概念:
(1) 产品等级结构:产品等级结构即产品的继承结构,如一个抽象类是电视机,其子类有海尔电视机、海信电视机、TCL电视机,则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构,抽象电视机是父类,而具体品牌的电视机是其子类。
(2) 产品族:在抽象工厂模式中,产品族是指由同一个工厂生产的,位于不同产品等级结构中的一组产品,如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱,海尔电视机位于电视机产品等级结构中,海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中,海尔电视机、海尔电冰箱构成了一个产品族。

当系统所提供的工厂生产的具体产品并不是一个简单的对象,而是多个位于不同产品等级结构、属于不同类型的具体产品时就可以使用抽象工厂模式。抽象工厂模式是所有形式的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形式。抽象工厂模式与工厂方法模式最大的区别在于,工厂方法模式针对的是一个产品等级结构,而抽象工厂模式需要面对多个产品等级结构,一个工厂等级结构可以负责多个不同产品等级结构中的产品对象的创建。当一个工厂等级结构可以创建出分属于不同产品等级结构的一个产品族中的所有对象时,抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、更有效率。


img_a108e7644413ce9ddc100cd7b5480c85.png
抽象工厂模式示意图

抽象工厂模式为创建一组对象提供了一种解决方案。与工厂方法模式相比,抽象工厂模式中的具体工厂不只是创建一种产品,它负责创建一族产品。

AbstractFactory(抽象工厂)的结构图中的角色和工厂模式一样,唯一的区别是AbstractFactory模式的抽象工厂角色声明了一组(非工厂模式的一个)用于创建一族产品的方法,每一个方法对应一种产品。如下所示:

abstract class AbstractFactory {
public abstract AbstractProductA createProductA(); //工厂方法一
public abstract AbstractProductB createProductB(); //工厂方法二
……

在抽象工厂模式中,增加新的产品族很方便,但是增加新的产品等级结构很麻烦,抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性。“开闭原则”要求系统对扩展开放,对修改封闭,通过扩展达到增强其功能的目的,对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统,其功能增强包括两方面:
(1) 增加产品族:对于增加新的产品族,抽象工厂模式很好地支持了“开闭原则”,只需要增加具体产品并对应增加一个新的具体工厂,对已有代码无须做任何修改。
(2) 增加新的产品等级结构:对于增加新的产品等级结构,需要修改所有的工厂角色,包括抽象工厂类,在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法,违背了“开闭原则”。

正因为抽象工厂模式存在“开闭原则”的倾斜性,它以一种倾斜的方式来满足“开闭原则”,为增加新产品族提供方便,但不能为增加新产品结构提供这样的方便,因此要求设计人员在设计之初就能够全面考虑,不会在设计完成之后向系统中增加新的产品等级结构,也不会删除已有的产品等级结构,否则将会导致系统出现较大的修改,为后续维护工作带来诸多麻烦。

抽象工厂模式总结
抽象工厂模式是工厂方法模式的进一步延伸,由于它提供了功能更为强大的工厂类并且具备较好的可扩展性,在软件开发中得以广泛应用,尤其是在一些框架和API类库的设计中,例如在Java语言的AWT(抽象窗口工具包)中就使用了抽象工厂模式,它使用抽象工厂模式来实现在不同的操作系统中应用程序呈现与所在操作系统一致的外观界面。抽象工厂模式也是在软件开发中最常用的设计模式之一。

  1. 主要优点
    (1) 抽象工厂模式隔离了具体类的生成,使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离,更换一个具体工厂就变得相对容易,所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口,因此只需改变具体工厂的实例,就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。
    (2) 当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时,它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。
    (3) 增加新的产品族很方便,无须修改已有系统,符合“开闭原则”。
  2. 主要缺点
    增加新的产品等级结构麻烦,需要对原有系统进行较大的修改,甚至需要修改抽象层代码,这显然会带来较大的不便,违背了“开闭原则”。
  3. 适用场景
    (1) 一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节,这对于所有类型的工厂模式都是很重要的,用户无须关心对象的创建过程,将对象的创建和使用解耦。
    (2) 系统中有多于一个的产品族,而每次只使用其中某一产品族。可以通过配置文件等方式来使得用户可以动态改变产品族,也可以很方便地增加新的产品族。
    (3) 属于同一个产品族的产品将在一起使用,这一约束必须在系统的设计中体现出来。同一个产品族中的产品可以是没有任何关系的对象,但是它们都具有一些共同的约束,如同一操作系统下的按钮和文本框,按钮与文本框之间没有直接关系,但它们都是属于某一操作系统的,此时具有一个共同的约束条件:操作系统的类型。
    (4) 产品等级结构稳定,设计完成之后,不会向系统中增加新的产品等级结构或者删除已有的产品等级结构。

原型模式

原型模式(Prototype Pattern):使用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象。原型模式是一种对象创建型模式。
由于在软件系统中我们经常会遇到需要创建多个相同或者相似对象的情况,因此原型模式在真实开发中的使用频率还是非常高的。原型模式是一种“另类”的创建型模式,创建克隆对象的工厂就是原型类自身,工厂方法由克隆方法来实现。
需要注意的是通过克隆方法所创建的对象是全新的对象,它们在内存中拥有新的地址,通常对克隆所产生的对象进行修改对原型对象不会造成任何影响,每一个克隆对象都是相互独立的。通过不同的方式修改可以得到一系列相似但不完全相同的对象。原型模式的结构如下图所示:


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原型模式结构图

在原型模式结构图中包含如下几个角色:
●Prototype(抽象原型类):它是声明克隆方法的接口,是所有具体原型类的公共父类,可以是抽象类也可以是接口,甚至还可以是具体实现类。
● ConcretePrototype(具体原型类):它实现在抽象原型类中声明的克隆方法,在克隆方法中返回自己的一个克隆对象。
● Client(客户类):让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象,在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象,再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。由于客户类针对抽象原型类Prototype编程,因此用户可以根据需要选择具体原型类,系统具有较好的可扩展性,增加或更换具体原型类都很方便。

原型模式的核心在于如何实现克隆方法,下面将介绍两种在Java语言中常用的克隆实现方法:
方式一:创建对象+赋值

public Prototype  clone() {
    Prototype  prototype = new ConcretePrototype(); //创建新对象
    prototype.setAttr(this.attr);
    return prototype;
}

方式二:Java语言提供的clone()方法
所有的Java类都继承自java.lang.Object。事实上,Object类提供一个clone()方法,可以将一个Java对象复制一份。因此在Java中可以直接使用Object提供的clone()方法来实现对象的克隆,Java语言中的原型模式实现很简单。
需要注意的是能够实现克隆的Java类必须实现一个标识接口Cloneable,表示这个Java类支持被复制。如果一个类没有实现这个接口但是调用了clone()方法,Java编译器将抛出一个CloneNotSupportedException异常。

public Prototype  clone(){
  Object object = null;
  try {
     object = super.clone();
  } catch (CloneNotSupportedException exception) {
     System.err.println("Not support cloneable");
  }
  return (Prototype )object;
}

浅克隆(ShallowClone)VS深克隆(DeepClone)。
在Java语言中,数据类型分为值类型(基本数据类型)和引用类型,值类型包括int、double、byte、boolean、char等简单数据类型,引用类型包括类、接口、数组等复杂类型。浅克隆和深克隆的主要区别在于是否支持引用类型的成员变量的复制。
在浅克隆中,如果原型对象的成员变量是值类型,将复制一份给克隆对象;如果原型对象的成员变量是引用类型,则将引用对象的地址复制一份给克隆对象,也就是说原型对象和克隆对象的成员变量指向相同的内存地址。
在深克隆中,无论原型对象的成员变量是值类型还是引用类型,都将复制一份给克隆对象,深克隆将原型对象的所有引用对象也复制一份给克隆对象。简单来说,在深克隆中,除了对象本身被复制外,对象所包含的所有成员变量也将复制。在Java语言中,如果需要实现深克隆,可以通过序列化(Serialization)等方式来实现。序列化就是将对象写到流的过程,写到流中的对象是原有对象的一个拷贝,而原对象仍然存在于内存中。通过序列化实现的拷贝不仅可以复制对象本身,而且可以复制其引用的成员对象,因此通过序列化将对象写到一个流中,再从流里将其读出来,可以实现深克隆。需要注意的是能够实现序列化的对象其类必须实现Serializable接口,否则无法实现序列化操作。

       //使用序列化技术实现深克隆
       public WeeklyLog deepClone() throws  IOException, ClassNotFoundException, OptionalDataException{
              //将对象写入流中
              ByteArrayOutputStream bao=new  ByteArrayOutputStream();
              ObjectOutputStream oos=new  ObjectOutputStream(bao);
              oos.writeObject(this);             
              //将对象从流中取出
              ByteArrayInputStream bis=new  ByteArrayInputStream(bao.toByteArray());
              ObjectInputStream ois=new  ObjectInputStream(bis);
              return  (WeeklyLog)ois.readObject();
       }

原型模式总结
原型模式作为一种快速创建大量相同或相似对象的方式,在软件开发中应用较为广泛,很多软件提供的复制(Ctrl + C)和粘贴(Ctrl + V)操作就是原型模式的典型应用,下面对该模式的使用效果和适用情况进行简单的总结。
1.主要优点
(1) 当创建新的对象实例较为复杂时,使用原型模式可以简化对象的创建过程,通过复制一个已有实例可以提高新实例的创建效率。
(2) 扩展性较好,由于在原型模式中提供了抽象原型类,在客户端可以针对抽象原型类进行编程,而将具体原型类写在配置文件中,增加或减少产品类对原有系统都没有任何影响。
(3) 原型模式提供了简化的创建结构,工厂方法模式常常需要有一个与产品类等级结构相同的工厂等级结构,而原型模式就不需要这样,原型模式中产品的复制是通过封装在原型类中的克隆方法实现的,无须专门的工厂类来创建产品。
(4) 可以使用深克隆的方式保存对象的状态,使用原型模式将对象复制一份并将其状态保存起来,以便在需要的时候使用(如恢复到某一历史状态),可辅助实现撤销操作。
2.主要缺点
(1) 需要为每一个类配备一个克隆方法,而且该克隆方法位于一个类的内部,当对已有的类进行改造时,需要修改源代码,违背了“开闭原则”。
(2) 在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码,而且当对象之间存在多重的嵌套引用时,为了实现深克隆,每一层对象对应的类都必须支持深克隆,实现起来可能会比较麻烦。
3.适用场景
(1) 创建新对象成本较大(如初始化需要占用较长的时间,占用太多的CPU资源或网络资源),新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得,如果是相似对象,则可以对其成员变量稍作修改。
(2) 如果系统要保存对象的状态,而对象的状态变化很小,或者对象本身占用内存较少时,可以使用原型模式配合备忘录模式来实现。
(3) 需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象,并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态,通过复制原型对象得到新实例可能比使用构造函数创建一个新实例更加方便。

建造者模式

建造者模式(Builder Pattern):将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一种对象创建型模式。
建造者模式一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们,用户不需要知道内部的具体构建细节。建造者模式结构如图下图所示:


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建造者模式结构图

在建造者模式结构图中包含如下几个角色:
● Builder(抽象建造者):它为创建一个产品Product对象的各个部件指定抽象接口,在该接口中一般声明两类方法,一类方法是buildPartX(),它们用于创建复杂对象的各个部件;另一类方法是getResult(),它们用于返回复杂对象Product。Builder既可以是抽象类,也可以是接口。
●ConcreteBuilder(具体建造者):它实现了Builder接口,实现各个部件的具体构造和装配方法,定义并明确它所创建的复杂对象,也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象。
●Product(产品角色):它是被构建的复杂对象,包含多个组成部件,具体建造者创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。
● Director(指挥者):指挥者又称为导演类,它负责安排复杂对象的建造次序,指挥者与抽象建造者之间存在关联关系,可以在其construct()建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法(调用buildPartX),完成复杂对象的建造。客户端一般只需要与指挥者进行交互,在客户端确定具体建造者的类型,并实例化具体建造者对象(也可以通过配置文件和反射机制),然后通过指挥者类的构造函数或者Setter方法将该对象传入指挥者类中。

在建造者模式的定义中提到了复杂对象,那么什么是复杂对象?简单来说,复杂对象是指那些包含多个成员属性的对象,这些成员属性也称为部件或零件,如汽车包括方向盘、发动机、轮胎等部件,电子邮件包括发件人、收件人、主题、内容、附件等部件
建造者模式与抽象工厂模式有点相似,但是建造者模式返回一个完整的复杂产品,而抽象工厂模式返回一系列相关的产品;在抽象工厂模式中,客户端通过选择具体工厂来生成所需对象,而在建造者模式中,客户端通过指定具体建造者类型并指导Director类如何去生成对象,侧重于一步步构造一个复杂对象,然后将结果返回。如果将抽象工厂模式看成一个汽车配件生产厂,生成不同类型的汽车配件,那么建造者模式就是一个汽车组装厂,通过对配件进行组装返回一辆完整的汽车。
在有些情况下,为了简化系统结构,可以将Director和抽象建造者Builder进行合并,在Builder中提供逐步构建复杂产品对象的construct()方法。由于Builder类通常为抽象类,因此可以将construct()方法定义为静态(static)方法。

建造者模式总结
建造者模式的核心在于如何一步步构建一个包含多个组成部件的完整对象,使用相同的构建过程构建不同的产品,在软件开发中,如果我们需要创建复杂对象并希望系统具备很好的灵活性和可扩展性可以考虑使用建造者模式。
1.主要优点
(1) 在建造者模式中,客户端不必知道产品内部组成的细节,将产品本身与产品的创建过程解耦,使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象。
(2) 每一个具体建造者都相对独立,而与其他的具体建造者无关,因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者,用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象。由于指挥者类针对抽象建造者编程,增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码,系统扩展方便,符合“开闭原则”
(3) 可以更加精细地控制产品的创建过程。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中,使得创建过程更加清晰,也更方便使用程序来控制创建过程。
2.主要缺点
(1) 建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点,其组成部分相似,如果产品之间的差异性很大,例如很多组成部分都不相同,不适合使用建造者模式,因此其使用范围受到一定的限制。
(2) 如果产品的内部变化复杂,可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大,增加系统的理解难度和运行成本。
3.适用场景
(1) 需要生成的产品对象有复杂的内部结构,这些产品对象通常包含多个成员属性。
(2) 需要生成的产品对象的属性相互依赖,需要指定其生成顺序。
(3) 对象的创建过程独立于创建该对象的类。在建造者模式中通过引入了指挥者类,将创建过程封装在指挥者类中,而不在建造者类和客户类中。
(4) 隔离复杂对象的创建和使用,并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。

结构型模式

适配器模式

适配器模式中引入了一个被称为适配器(Adapter)的包装类,而它所包装的对象称为适配者(Adaptee),即被适配的类。适配器的实现就是把客户类的请求转化为对适配者的相应接口的调用。也就是说:当客户类调用适配器的方法时,在适配器类的内部将调用适配者类的方法,而这个过程对客户类是透明的,客户类并不直接访问适配者类。因此,适配器让那些由于接口不兼容而不能交互的类可以一起工作。
适配器模式(Adapter Pattern):将一个接口转换成客户希望的另一个接口,使接口不兼容的那些类可以一起工作,其别名为包装器(Wrapper)。适配器模式既可以作为类结构型模式,也可以作为对象结构型模式。
根据适配器类与适配者类的关系不同,适配器模式可分为对象适配器和类适配器两种,在对象适配器模式中,适配器与适配者之间是关联关系;在类适配器模式中,适配器与适配者之间是继承(或实现)关系。在实际开发中,对象适配器的使用频率更高,对象适配器模式结构图如下图所示:


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对象适配器模式结构图

在对象适配器模式结构图中包含如下几个角色:
● Target(目标抽象类):目标抽象类定义客户所需接口,可以是一个抽象类或接口,也可以是具体类。
● Adapter(适配器类):适配器可以调用另一个接口,作为一个转换器,对Adaptee和Target进行适配,适配器类是适配器模式的核心,在对象适配器中,它通过继承Target并关联一个Adaptee对象使二者产生联系。
● Adaptee(适配者类):适配者即被适配的角色,它定义了一个已经存在的接口,这个接口需要适配,适配者类一般是一个具体类,包含了客户希望使用的业务方法,在某些情况下可能没有适配者类的源代码。

类适配器模式和对象适配器模式最大的区别在于适配器和适配者之间的关系不同,对象适配器模式中适配器和适配者之间是关联关系,而类适配器模式中适配器和适配者是继承关系,类适配器模式结构如下图所示:


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类适配器模式结构图

由于Java、C#等语言不支持多重类继承,因此类适配器的使用受到很多限制,例如如果目标抽象类Target不是接口,而是一个类,就无法使用类适配器;此外,如果适配者Adaptee为最终(Final)类,也无法使用类适配器。在Java等面向对象编程语言中,大部分情况下我们使用的是对象适配器,类适配器较少使用。

缺省适配器模式是适配器模式的一种变体,其应用也较为广泛。
缺省适配器模式(Default Adapter Pattern):当不需要实现一个接口所提供的所有方法时,可先设计一个抽象类实现该接口,并为接口中每个方法提供一个默认实现(空方法),那么该抽象类的子类可以选择性地覆盖父类的某些方法来实现需求,它适用于不想使用一个接口中的所有方法的情况,又称为单接口适配器模式。
● ServiceInterface(适配者接口):它是一个接口,通常在该接口中声明了大量的方法。
● AbstractServiceClass(缺省适配器类):它是缺省适配器模式的核心类,使用空方法的形式实现了在ServiceInterface接口中声明的方法。通常将它定义为抽象类,因为对它进行实例化没有任何意义。
● ConcreteServiceClass(具体业务类):它是缺省适配器类的子类,在没有引入适配器之前,它需要实现适配者接口,因此需要实现在适配者接口中定义的所有方法,而对于一些无须使用的方法也不得不提供空实现。在有了缺省适配器之后,可以直接继承该适配器类,根据需要有选择性地覆盖在适配器类中定义的方法。

适配器模式总结
适配器模式将现有接口转化为客户类所期望的接口,实现了对现有类的复用,它是一种使用频率非常高的设计模式,在软件开发中得以广泛应用,在Spring等开源框架、驱动程序设计(如JDBC中的数据库驱动程序)中也使用了适配器模式。

  1. 主要优点
    无论是对象适配器模式还是类适配器模式都具有如下优点:
    (1) 将目标类和适配者类解耦,通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类,无须修改原有结构。
    (2) 增加了类的透明性和复用性,将具体的业务实现过程封装在适配者类中,对于客户端类而言是透明的,而且提高了适配者的复用性,同一个适配者类可以在多个不同的系统中复用。
    (3) 灵活性和扩展性都非常好,通过使用配置文件,可以很方便地更换适配器,也可以在不修改原有代码的基础上增加新的适配器类,完全符合“开闭原则”。

具体来说,类适配器模式还有如下优点:
由于适配器类是适配者类的子类,因此可以在适配器类中置换一些适配者的方法,使得适配器的灵活性更强。

对象适配器模式还有如下优点:
(1) 一个对象适配器可以把多个不同的适配者适配到同一个目标;
(2) 可以适配一个适配者的子类,由于适配器和适配者之间是关联关系,根据“里氏代换原则”,适配者的子类也可通过该适配器进行适配。

  1. 主要缺点
    类适配器模式的缺点如下:
    (1) 对于Java、C#等不支持多重类继承的语言,一次最多只能适配一个适配者类,不能同时适配多个适配者;
    (2) 适配者类不能为最终类,如在Java中不能为final类,C#中不能为sealed类;
    (3) 在Java、C#等语言中,类适配器模式中的目标抽象类只能为接口,不能为类,其使用有一定的局限性。

对象适配器模式的缺点如下:
与类适配器模式相比,要在适配器中置换适配者类的某些方法比较麻烦。如果一定要置换掉适配者类的一个或多个方法,可以先做一个适配者类的子类,将适配者类的方法置换掉,然后再把适配者类的子类当做真正的适配者进行适配,实现过程较为复杂。

  1. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用适配器模式:
    (1) 系统需要使用一些现有的类,而这些类的接口(如方法名)不符合系统的需要,甚至没有这些类的源代码。
    (2) 想创建一个可以重复使用的类,用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类,包括一些可能在将来引进的类一起工作。

桥接模式-Bridge Pattern

如果软件系统中某个类存在两个独立变化的维度,通过该模式可以将这两个维度分离出来,使两者可以独立扩展,让系统更加符合“单一职责原则”。与多层继承方案不同,它将两个独立变化的维度设计为两个独立的继承等级结构,并且在抽象层建立一个抽象关联,该关联关系类似一条连接两个独立继承结构的桥,故名桥接模式。
桥接模式用一种巧妙的方式处理多层继承存在的问题,用抽象关联取代了传统的多层继承,将类之间的静态继承关系转换为动态的对象组合关系,使得系统更加灵活,并易于扩展,同时有效控制了系统中类的个数。桥接定义如下:
桥接模式(Bridge Pattern):将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式,又称为柄体(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。
桥接模式的结构与其名称一样,存在一条连接两个继承等级结构的桥,桥接模式结构如下图所示:


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桥接模式结构图

在桥接模式结构图中包含如下几个角色:
●Abstraction(抽象类):用于定义抽象类的接口,它一般是抽象类而不是接口,其中定义了一个Implementor(实现类接口)类型的对象并可以维护该对象,它与Implementor之间具有关联关系,它既可以包含抽象业务方法,也可以包含具体业务方法。
●RefinedAbstraction(扩充抽象类):扩充由Abstraction定义的接口,通常情况下它不再是抽象类而是具体类,它实现了在Abstraction中声明的抽象业务方法,在RefinedAbstraction中可以调用在Implementor中定义的业务方法。
●Implementor(实现类接口):定义实现类的接口,这个接口不一定要与Abstraction的接口完全一致,事实上这两个接口可以完全不同,一般而言,Implementor接口仅提供基本操作,而Abstraction定义的接口可能会做更多更复杂的操作。Implementor接口对这些基本操作进行了声明,而具体实现交给其子类。通过关联关系,在Abstraction中不仅拥有自己的方法,还可以调用到Implementor中定义的方法,使用关联关系来替代继承关系。
●ConcreteImplementor(具体实现类):具体实现Implementor接口,在不同的ConcreteImplementor中提供基本操作的不同实现,在程序运行时,ConcreteImplementor对象将替换其父类对象,提供给抽象类具体的业务操作方法。
在使用桥接模式时,我们首先应该识别出一个类所具有的两个独立变化的维度,将它们设计为两个独立的继承等级结构,为两个维度都提供抽象层,并建立抽象耦合。通常情况下,我们将具有两个独立变化维度的类的一些普通业务方法和与之关系最密切的维度设计为“抽象类”层次结构(抽象部分),而将另一个维度设计为“实现类”层次结构(实现部分)。

在软件开发中,适配器模式通常可以与桥接模式联合使用。适配器模式可以解决两个已有接口间不兼容问题,在这种情况下被适配的类往往是一个黑盒子,有时候我们不想也不能改变这个被适配的类,也不能控制其扩展。适配器模式通常用于现有系统与第三方产品功能的集成,采用增加适配器的方式将第三方类集成到系统中。桥接模式则不同,用户可以通过接口继承或类继承的方式来对系统进行扩展。

桥接模式和适配器模式用于设计的不同阶段,桥接模式用于系统的初步设计,对于存在两个独立变化维度的类可以将其分为抽象化和实现化两个角色,使它们可以分别进行变化;而在初步设计完成之后,当发现系统与已有类无法协同工作时,可以采用适配器模式。但有时候在设计初期也需要考虑适配器模式,特别是那些涉及到大量第三方应用接口的情况。

桥接模式总结
桥接模式是设计Java虚拟机和实现JDBC等驱动程序的核心模式之一,应用较为广泛。在软件开发中如果一个类或一个系统有多个变化维度时,都可以尝试使用桥接模式对其进行设计。桥接模式为多维度变化的系统提供了一套完整的解决方案,并且降低了系统的复杂度。
1.主要优点
桥接模式的主要优点如下:
(1)分离抽象接口及其实现部分。桥接模式使用“对象间的关联关系”解耦了抽象和实现之间固有的绑定关系,使得抽象和实现可以沿着各自的维度来变化。所谓抽象和实现沿着各自维度的变化,也就是说抽象和实现不再在同一个继承层次结构中,而是“子类化”它们,使它们各自都具有自己的子类,以便任何组合子类,从而获得多维度组合对象。
(2)在很多情况下,桥接模式可以取代多层继承方案,多层继承方案违背了“单一职责原则”,复用性较差,且类的个数非常多,桥接模式是比多层继承方案更好的解决方法,它极大减少了子类的个数。
(3)桥接模式提高了系统的可扩展性,在两个变化维度中任意扩展一个维度,都不需要修改原有系统,符合“开闭原则”。

2.主要缺点
桥接模式的主要缺点如下:
(1)桥接模式的使用会增加系统的理解与设计难度,由于关联关系建立在抽象层,要求开发者一开始就针对抽象层进行设计与编程。
(2)桥接模式要求正确识别出系统中两个独立变化的维度,因此其使用范围具有一定的局限性,如何正确识别两个独立维度也需要一定的经验积累。

3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用桥接模式:
(1)如果一个系统需要在抽象化和具体化之间增加更多的灵活性,避免在两个层次之间建立静态的继承关系,通过桥接模式可以使它们在抽象层建立一个关联关系。
(2)“抽象部分”和“实现部分”可以以继承的方式独立扩展而互不影响,在程序运行时可以动态将一个抽象化子类的对象和一个实现化子类的对象进行组合,即系统需要对抽象化角色和实现化角色进行动态耦合。
(3)一个类存在两个(或多个)独立变化的维度,且这两个(或多个)维度都需要独立进行扩展。
(4)对于那些不希望使用继承或因为多层继承导致系统类的个数急剧增加的系统,桥接模式尤为适用。

组合模式-Composite Pattern

对于树形结构,当容器对象(如文件夹)的某一个方法被调用时,将遍历整个树形结构,寻找也包含这个方法的成员对象(可以是容器对象,也可以是叶子对象)并调用执行,牵一而动百,其中使用了递归调用的机制来对整个结构进行处理。由于容器对象和叶子对象在功能上的区别,在使用这些对象的代码中必须有区别地对待容器对象和叶子对象,而实际上大多数情况下我们希望一致地处理它们,因为对于这些对象的区别对待将会使得程序非常复杂。组合模式为解决此类问题而诞生,它可以让叶子对象和容器对象的使用具有一致性。
组合模式(Composite Pattern):组合多个对象形成树形结构以表示具有“整体—部分”关系的层次结构。组合模式对单个对象(即叶子对象)和组合对象(即容器对象)的使用具有一致性,组合模式又可以称为“整体—部分”(Part-Whole)模式,它是一种对象结构型模式。
在组合模式中引入了抽象构件类Component,它是所有容器类和叶子类的公共父类,客户端针对Component进行编程。组合模式结构如下图所示:


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组合模式结构图

在组合模式结构图中包含如下几个角色:
● Component(抽象构件):它可以是接口或抽象类,为叶子构件和容器构件对象声明接口,在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现。在抽象构件中定义了访问及管理它的子构件的方法,如增加子构件、删除子构件、获取子构件等。
● Leaf(叶子构件):它在组合结构中表示叶子节点对象,叶子节点没有子节点,它实现了在抽象构件中定义的行为。对于那些访问及管理子构件的方法,可以通过异常等方式进行处理。
● Composite(容器构件):它在组合结构中表示容器节点对象,容器节点包含子节点,其子节点可以是叶子节点,也可以是容器节点,它提供一个集合用于存储子节点,实现了在抽象构件中定义的行为,包括那些访问及管理子构件的方法,在其业务方法中可以递归调用其子节点的业务方法。

组合模式的关键是定义了一个抽象构件类,它既可以代表叶子,又可以代表容器,而客户端针对该抽象构件类进行编程,无须知道它到底表示的是叶子还是容器,可以对其进行统一处理。同时容器对象与抽象构件类之间还建立一个聚合关联关系,在容器对象中既可以包含叶子,也可以包含容器,以此实现递归组合,形成一个树形结构。
如果不使用组合模式,客户端代码将过多地依赖于容器对象复杂的内部实现结构,容器对象内部实现结构的变化将引起客户代码的频繁变化,带来了代码维护复杂、可扩展性差等弊端。组合模式的引入将在一定程度上解决这些问题。
下面通过简单的示例代码来分析组合模式的各个角色的用途和实现。对于组合模式中的抽象构件角色,其典型代码如下所示:

abstract class Component {
    public abstract void add(Component c); //增加成员
    public abstract void remove(Component c); //删除成员
    public abstract Component getChild(int i); //获取成员
    public abstract void operation();  //业务方法
}

一般将抽象构件类设计为接口或抽象类,将所有子类共有方法的声明和实现放在抽象构件类中。对于客户端而言,将针对抽象构件编程,而无须关心其具体子类是容器构件还是叶子构件。
如果继承抽象构件的是叶子构件,则其典型代码如下所示:


class Leaf extends Component {
    public void add(Component c) { 
        //异常处理或错误提示 
    }   
        
    public void remove(Component c) { 
        //异常处理或错误提示 
    }
    
    public Component getChild(int i) { 
        //异常处理或错误提示
        return null; 
    }
    
    public void operation() {
        //叶子构件具体业务方法的实现
    } 
}

在容器构件中实现了在抽象构件中声明的所有方法,既包括业务方法,也包括用于访问和管理成员子构件的方法,如add()、remove()和getChild()等方法。需要注意的是在实现具体业务方法时,由于容器构件充当的是容器角色,包含成员构件,因此它将调用其成员构件的业务方法。在组合模式结构中,由于容器构件中仍然可以包含容器构件,因此在对容器构件进行处理时需要使用递归算法,即在容器构件的operation()方法中递归调用其成员构件的operation()方法。

在使用组合模式时,根据抽象构件类的定义形式,我们可将组合模式分为透明组合模式和安全组合模式两种形式:
(1) 透明组合模式
透明组合模式中,抽象构件Component中声明了所有用于管理成员对象的方法,包括add()、remove()以及getChild()等方法,这样做的好处是确保所有的构件类都有相同的接口。在客户端看来,叶子对象与容器对象所提供的方法是一致的,客户端可以相同地对待所有的对象。透明组合模式也是组合模式的标准形式,虽然上面的解决方案一在客户端可以有不透明的实现方法,但是由于在抽象构件中包含add()、remove()等方法,因此它还是透明组合模式,透明组合模式的完整结构如下图所示:


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透明组合模式结构图

透明组合模式的缺点是不够安全,因为叶子对象和容器对象在本质上是有区别的。叶子对象不可能有下一个层次的对象,即不可能包含成员对象,因此为其提供add()、remove()以及getChild()等方法是没有意义的,这在编译阶段不会出错,但在运行阶段如果调用这些方法可能会出错(如果没有提供相应的错误处理代码)。
(2) 安全组合模式
安全组合模式中,在抽象构件Component中没有声明任何用于管理成员对象的方法,而是在Composite类中声明并实现这些方法。这种做法是安全的,因为根本不向叶子对象提供这些管理成员对象的方法,对于叶子对象,客户端不可能调用到这些方法,这就是解决方案二所采用的实现方式。安全组合模式的结构如下图所示:


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安全组合模式结构图

安全组合模式的缺点是不够透明,因为叶子构件和容器构件具有不同的方法,且容器构件中那些用于管理成员对象的方法没有在抽象构件类中定义,因此客户端不能完全针对抽象编程,必须有区别地对待叶子构件和容器构件。在实际应用中,安全组合模式的使用频率也非常高,在Java AWT中使用的组合模式就是安全组合模式。

组合模式总结
组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理,描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合,实现简单,灵活性好。由于在软件开发中存在大量的树形结构,因此组合模式是一种使用频率较高的结构型设计模式。在XML解析、组织结构树处理、文件系统设计等领域,组合模式都得到了广泛应用。

  1. 主要优点
    组合模式的主要优点如下:
    (1) 组合模式可以清楚地定义分层次的复杂对象,表示对象的全部或部分层次,它让客户端忽略了层次的差异,方便对整个层次结构进行控制。
    (2) 客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象,不必关心处理的是单个对象还是整个组合结构,简化了客户端代码。
    (3) 在组合模式中增加新的容器构件和叶子构件都很方便,无须对现有类库进行任何修改,符合“开闭原则”。
    (4) 组合模式为树形结构的面向对象实现提供了一种灵活的解决方案,通过叶子对象和容器对象的递归组合,可以形成复杂的树形结构,但对树形结构的控制却非常简单。
  2. 主要缺点
    组合模式的主要缺点如下:
    在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。有时候我们希望一个容器中只能有某些特定类型的对象,例如在某个文件夹中只能包含文本文件,使用组合模式时,不能依赖类型系统来施加这些约束,因为它们都来自于相同的抽象层,在这种情况下,必须通过在运行时进行类型检查来实现,这个实现过程较为复杂。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用组合模式:
    (1) 在具有整体和部分的层次结构中,希望通过一种方式忽略整体与部分的差异,客户端可以一致地对待它们。
    (2) 在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构。
    (3) 在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象,而且它们的类型不固定,需要增加一些新的类型。

装饰模式-Decorator Pattern

装饰模式可以在不改变一个对象本身功能的基础上给对象增加额外的新行为,在现实生活中,这种情况也到处存在,例如一张照片,我们可以不改变照片本身,给它增加一个相框,使得它具有防潮的功能,而且用户可以根据需要给它增加不同类型的相框,甚至可以在一个小相框的外面再套一个大相框。
装饰模式是一种用于替代继承的技术,它通过一种无须定义子类的方式来给对象动态增加职责,使用对象之间的关联关系取代类之间的继承关系。在装饰模式中引入了装饰类,在装饰类中既可以调用待装饰的原有类的方法,还可以增加新的方法,以扩充原有类的功能。
装饰模式(Decorator Pattern):动态地给一个对象增加一些额外的职责,就增加对象功能来说,装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。
在装饰模式中,为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性,我们通常会定义一个抽象装饰类,而将具体的装饰类作为它的子类,装饰模式结构如下图所示:

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装饰模式结构图

在装饰模式结构图中包含如下几个角色:
● Component(抽象构件):它是具体构件和抽象装饰类的共同父类,声明了在具体构件中实现的业务方法,它的引入可以使客户端以一致的方式处理未被装饰的对象以及装饰之后的对象,实现客户端的透明操作。
● ConcreteComponent(具体构件):它是抽象构件类的子类,用于定义具体的构件对象,实现了在抽象构件中声明的方法,装饰器可以给它增加额外的职责(方法)。
● Decorator(抽象装饰类):它也是抽象构件类的子类,用于给具体构件增加职责,但是具体职责在其子类中实现。它维护一个指向抽象构件对象的引用,通过该引用可以调用装饰之前构件对象的方法,并通过其子类扩展该方法,以达到装饰的目的。
● ConcreteDecorator(具体装饰类):它是抽象装饰类的子类,负责向构件添加新的职责。每一个具体装饰类都定义了一些新的行为,它可以调用在抽象装饰类中定义的方法,并可以增加新的方法用以扩充对象的行为。
由于具体构件类和装饰类都实现了相同的抽象构件接口,因此装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任,换言之,客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下,将对象的功能加以扩展。
透明装饰模式与半透明装饰模式
在实际使用过程中,由于新增行为可能需要单独调用(调用具体装饰器声明的方法),因此这种形式的装饰模式也经常出现,这种装饰模式被称为半透明(Semi-transparent)装饰模式,而标准的装饰模式是透明(Transparent)装饰模式。下面我们对这两种装饰模式进行较为详细的介绍:
(1)透明装饰模式
装饰模式的透明性要求客户端程序不应该将对象声明为具体构件类型或具体装饰类型,而应该全部声明为抽象构件类型。对于客户端而言,具体构件对象和具体装饰对象没有任何区别。也就是抽象装饰器中没有单独声明方法。
透明装饰模式可以让客户端透明地使用装饰之前的对象和装饰之后的对象,无须关心它们的区别,此外,还可以对一个已装饰过的对象进行多次装饰,得到更为复杂、功能更为强大的对象。
(2)半透明装饰模式
透明装饰模式的设计难度较大,而且有时我们需要单独调用新增的业务方法。为了能够调用到新增方法,我们不得不用具体装饰类型来定义装饰之后的对象,而具体构件类型还是可以使用抽象构件类型来定义,这种装饰模式即为半透明装饰模式,也就是说,对于客户端而言,具体构件类型无须关心,是透明的;如果具体装饰类型必须指定,那这就是不透明的。
半透明装饰模式可以给系统带来更多的灵活性,设计相对简单,使用起来也非常方便;但是其最大的缺点在于不能实现对同一个对象的多次装饰,而且客户端需要有区别地对待装饰之前的对象和装饰之后的对象。
装饰模式注意事项
在使用装饰模式时,通常我们需要注意以下几个问题:
(1) 尽量保持装饰类的接口与被装饰类的接口相同,这样,对于客户端而言,无论是装饰之前的对象还是装饰之后的对象都可以一致对待。这也就是说,在可能的情况下,我们应该尽量使用透明装饰模式。
(2) 尽量保持具体构件类ConcreteComponent是一个“轻”类,也就是说不要把太多的行为放在具体构件类中,我们可以通过装饰类对其进行扩展。
(3) 如果只有一个具体构件类,那么抽象装饰类可以作为该具体构件类的直接子类。

装饰模式总结
装饰模式降低了系统的耦合度,可以动态增加或删除对象的职责,并使得需要装饰的具体构件类和具体装饰类可以独立变化,以便增加新的具体构件类和具体装饰类。在软件开发中,装饰模式应用较为广泛,例如在JavaIO中的输入流和输出流的设计、javax.swing包中一些图形界面构件功能的增强等地方都运用了装饰模式。
1.主要优点
装饰模式的主要优点如下:
(1) 对于扩展一个对象的功能,装饰模式比继承更加灵活性,不会导致类的个数急剧增加。
(2) 可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能,通过配置文件可以在运行时选择不同的具体装饰类,从而实现不同的行为。
(3) 可以对一个对象进行多次装饰,通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合,可以创造出很多不同行为的组合,得到功能更为强大的对象。
(4) 具体构件类与具体装饰类可以独立变化,用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类,原有类库代码无须改变,符合“开闭原则”。
2.主要缺点
装饰模式的主要缺点如下:
(1) 使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象,这些对象的区别在于它们之间相互连接的方式有所不同,而不是它们的类或者属性值有所不同,大量小对象的产生势必会占用更多的系统资源,在一定程序上影响程序的性能。
(2) 装饰模式提供了一种比继承更加灵活机动的解决方案,但同时也意味着比继承更加易于出错,排错也很困难,对于多次装饰的对象,调试时寻找错误可能需要逐级排查,较为繁琐。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用装饰模式:
(1) 在不影响其他对象的情况下,以动态、透明的方式给单个对象添加职责。
(2) 当不能采用继承的方式对系统进行扩展或者采用继承不利于系统扩展和维护时可以使用装饰模式。不能采用继承的情况主要有两类:第一类是系统中存在大量独立的扩展,为支持每一种扩展或者扩展之间的组合将产生大量的子类,使得子类数目呈爆炸性增长;第二类是因为类已定义为不能被继承(如Java语言中的final类)。

外观模式-Facade Pattern

在软件开发中,有时候为了完成一项较为复杂的功能,一个客户类需要和多个业务类交互,而这些需要交互的业务类经常会作为一个整体出现,由于涉及到的类比较多,导致使用时代码较为复杂,此时,特别需要一个类似服务员一样的角色,由它来负责和多个业务类进行交互,而客户类只需与该类交互。外观模式通过引入一个新的外观类(Facade)来实现该功能,外观类充当了软件系统中的“服务员”,它为多个业务类的调用提供了一个统一的入口,简化了类与类之间的交互。在外观模式中,那些需要交互的业务类被称为子系统(Subsystem)。如果没有外观类,那么每个客户类需要和多个子系统之间进行复杂的交互,系统的耦合度将很大;而引入外观类之后,客户类只需要直接与外观类交互,客户类与子系统之间原有的复杂引用关系由外观类来实现,从而降低了系统的耦合度。
外观模式中,一个子系统的外部与其内部的通信通过一个统一的外观类进行,外观类将客户类与子系统的内部复杂性分隔开,使得客户类只需要与外观角色打交道,而不需要与子系统内部的很多对象打交道。
外观模式:为子系统中的一组接口提供一个统一的入口。外观模式定义了一个高层接口,这个接口使得这一子系统更加容易使用。
下图所示的类图可以作为描述外观模式的结构图:


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外观模式结构图

外观模式包含如下两个角色:
(1) Facade(外观角色):在客户端可以调用它的方法,在外观角色中可以知道相关的(一个或者多个)子系统的功能和责任;在正常情况下,它将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统去,传递给相应的子系统对象处理。
(2) SubSystem(子系统角色):在软件系统中可以有一个或者多个子系统角色,每一个子系统可以不是一个单独的类,而是一个类的集合,它实现子系统的功能;每一个子系统都可以被客户端直接调用,或者被外观角色调用,它处理由外观类传过来的请求;子系统并不知道外观的存在,对于子系统而言,外观角色仅仅是另外一个客户端而已。
由于在外观类中维持了对子系统对象的引用,客户端可以通过外观类来间接调用子系统对象的业务方法,而无须与子系统对象直接交互。引入外观类后,客户端代码变得非常简单。

在标准的外观模式结构图中,如果需要增加、删除或更换与外观类交互的子系统类,必须修改外观类或客户端的源代码,这将违背开闭原则,因此可以通过引入抽象外观类来对系统进行改进,在一定程度上可以解决该问题。在引入抽象外观类之后,客户端可以针对抽象外观类进行编程,对于新的业务需求,不需要修改原有外观类,而对应增加一个新的具体外观类,由新的具体外观类来关联新的子系统对象,同时通过修改配置文件来达到不修改任何源代码并更换外观类的目的。
如何在不修改客户端代码的前提下使用新的外观类呢?解决方法之一是:引入一个抽象外观类,客户端针对抽象外观类编程,而在运行时再确定具体外观类。

外观模式总结
外观模式是一种使用频率非常高的设计模式,它通过引入一个外观角色来简化客户端与子系统之间的交互,为复杂的子系统调用提供一个统一的入口,使子系统与客户端的耦合度降低,且客户端调用非常方便。外观模式并不给系统增加任何新功能,它仅仅是简化调用接口。在几乎所有的软件中都能够找到外观模式的应用,如绝大多数B/S系统都有一个首页或者导航页面,大部分C/S系统都提供了菜单或者工具栏,在这里,首页和导航页面就是B/S系统的外观角色,而菜单和工具栏就是C/S系统的外观角色,通过它们用户可以快速访问子系统,降低了系统的复杂程度。所有涉及到与多个业务对象交互的场景都可以考虑使用外观模式进行重构。

  1. 优点
    外观模式的主要优点如下:
    (1) 它对客户端屏蔽了子系统组件,减少了客户端所需处理的对象数目,并使得子系统使用起来更加容易。通过引入外观模式,客户端代码将变得很简单,与之关联的对象也很少。
    (2) 它实现了子系统与客户端之间的松耦合关系,这使得子系统的变化不会影响到调用它的客户端,只需要调整外观类即可。
    (3) 一个子系统的修改对其他子系统没有任何影响,而且子系统内部变化也不会影响到外观对象。
    2.缺点
    外观模式的主要缺点如下:
    (1) 不能很好地限制客户端直接使用子系统类,如果对客户端访问子系统类做太多的限制则减少了可变性和灵活性。
    (2) 如果设计不当,增加新的子系统可能需要修改外观类的源代码,违背了开闭原则。
  2. 模式适用场景
    在以下情况下可以考虑使用外观模式:
    (1) 当要为访问一系列复杂的子系统提供一个简单入口时可以使用外观模式。
    (2) 客户端程序与多个子系统之间存在很大的依赖性。引入外观类可以将子系统与客户端解耦,从而提高子系统的独立性和可移植性。
    (3) 在层次化结构中,可以使用外观模式定义系统中每一层的入口,层与层之间不直接产生联系,而通过外观类建立联系,降低层之间的耦合度。

享元模式-Flyweight Pattern

当一个软件系统在运行时产生的对象数量太多,将导致运行代价过高,带来系统性能下降等问题。例如在一个文本字符串中存在很多重复的字符,如果每一个字符都用一个单独的对象来表示,将会占用较多的内存空间,那么我们如何去避免系统中出现大量相同或相似的对象,同时又不影响客户端程序通过面向对象的方式对这些对象进行操作?享元模式正为解决这一类问题而诞生。享元模式通过共享技术实现相同或相似对象的重用,在逻辑上每一个出现的字符都有一个对象与之对应,然而在物理上它们却共享同一个享元对象,这个对象可以出现在一个字符串的不同地方,相同的字符对象都指向同一个实例,在享元模式中,存储这些共享实例对象的地方称为享元池(Flyweight Pool)。我们可以针对每一个不同的字符创建一个享元对象,将其放在享元池中,需要时再从享元池取出。

享元模式以共享的方式高效地支持大量细粒度对象的重用,享元对象能做到共享的关键是区分了内部状态(Intrinsic State)和外部状态(Extrinsic State)。下面将对享元的内部状态和外部状态进行简单的介绍:
(1) 内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态,内部状态可以共享。如字符的内容,不会随外部环境的变化而变化,无论在任何环境下字符“a”始终是“a”,都不会变成“b”。
(2) 外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。享元对象的外部状态通常由客户端保存,并在享元对象被创建之后,需要使用的时候再传入到享元对象内部。一个外部状态与另一个外部状态之间是相互独立的。如字符的颜色,可以在不同的地方有不同的颜色,例如有的“a”是红色的,有的“a”是绿色的,字符的大小也是如此,有的“a”是五号字,有的“a”是四号字。而且字符的颜色和大小是两个独立的外部状态,它们可以独立变化,相互之间没有影响,客户端可以在使用时将外部状态注入享元对象中。

正因为区分了内部状态和外部状态,我们可以将具有相同内部状态的对象存储在享元池中,享元池中的对象是可以实现共享的,需要的时候就将对象从享元池中取出,实现对象的复用。通过向取出的对象注入不同的外部状态,可以得到一系列相似的对象,而这些对象在内存中实际上只存储一份。
享元模式(Flyweight Pattern):运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式,它是一种对象结构型模式。

享元模式结构较为复杂,一般结合工厂模式一起使用,在它的结构图中包含了一个享元工厂类,其结构图如下图所示


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享元模式结构图

在享元模式结构图中包含如下几个角色:
● Flyweight(抽象享元类):通常是一个接口或抽象类,在抽象享元类中声明了具体享元类公共的方法,这些方法可以向外界提供享元对象的内部数据(内部状态),同时也可以通过这些方法来设置外部数据(外部状态)。
● ConcreteFlyweight(具体享元类):它实现了抽象享元类,其实例称为享元对象;在具体享元类中为内部状态提供了存储空间。通常我们可以结合单例模式来设计具体享元类,为每一个具体享元类提供唯一的享元对象。
● UnsharedConcreteFlyweight(非共享具体享元类):并不是所有的抽象享元类的子类都需要被共享,不能被共享的子类可设计为非共享具体享元类;当需要一个非共享具体享元类的对象时可以直接通过实例化创建。
● FlyweightFactory(享元工厂类):享元工厂类用于创建并管理享元对象,它针对抽象享元类编程,将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中,享元池一般设计为一个存储“键值对”的集合(也可以是其他类型的集合),可以结合工厂模式进行设计;当用户请求一个具体享元对象时,享元工厂提供一个存储在享元池中已创建的实例或者创建一个新的实例(如果不存在的话),返回新创建的实例并将其存储在享元池中。

在享元模式中引入了享元工厂类,享元工厂类的作用在于提供一个用于存储享元对象的享元池,当用户需要对象时,首先从享元池中获取,如果享元池中不存在,则创建一个新的享元对象返回给用户,并在享元池中保存该新增对象。典型的享元工厂类的代码如下:

class FlyweightFactory {
    //定义一个HashMap用于存储享元对象,实现享元池
       private HashMap flyweights = newHashMap();
       public Flyweight getFlyweight(String key){
              //如果对象存在,则直接从享元池获取
              if(flyweights.containsKey(key)){
                     return(Flyweight)flyweights.get(key);
              }
              //如果对象不存在,先创建一个新的对象添加到享元池中,然后返回
              else {
                     Flyweight fw = newConcreteFlyweight();
                     flyweights.put(key,fw);
                     return fw;
              }
       }
}

享元类的设计是享元模式的要点之一,在享元类中要将内部状态和外部状态分开处理,通常将内部状态作为享元类的成员变量,而外部状态通过注入的方式添加到享元类中。典型的享元类代码如下所示:

class Flyweight {
     //内部状态intrinsicState作为成员变量,同一个享元对象其内部状态是一致的
       private String intrinsicState;
       public  Flyweight(String intrinsicState) {
              this.intrinsicState=intrinsicState;
       }

        //外部状态extrinsicState在使用时由外部设置,不保存在享元对象中,即使是同一个对象,在每一次调用时也可以传入不同的外部状态
       public void operation(String  extrinsicState) {
              ......
       }     
}

单纯享元模式和复合享元模式
标准的享元模式结构图中既包含可以共享的具体享元类,也包含不可以共享的非共享具体享元类。但是在实际使用过程中,我们有时候会用到两种特殊的享元模式:单纯享元模式和复合享元模式,下面将对这两种特殊的享元模式进行简单的介绍:
1.单纯享元模式
在单纯享元模式中,所有的具体享元类都是可以共享的,不存在非共享具体享元类。单纯享元模式的结构如下图所示:

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单纯享元模式结构图

2.复合享元模式
将一些单纯享元对象使用组合模式加以组合,还可以形成复合享元对象,这样的复合享元对象本身不能共享,但是它们可以分解成单纯享元对象,而后者则可以共享。复合享元模式的结构如下图所示:
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复合享元模式结构图

通过复合享元模式,可以确保复合享元类CompositeConcreteFlyweight中所包含的每个单纯享元类ConcreteFlyweight都具有相同的外部状态,而这些单纯享元的内部状态往往可以不同。如果希望为多个内部状态不同的享元对象设置相同的外部状态,可以考虑使用复合享元模式。

享元模式总结
当系统中存在大量相同或者相似的对象时,享元模式是一种较好的解决方案,它通过共享技术实现相同或相似的细粒度对象的复用,从而节约了内存空间,提高了系统性能。相比其他结构型设计模式,享元模式的使用频率并不算太高,但是作为一种以“节约内存,提高性能”为出发点的设计模式,它在软件开发中还是得到了一定程度的应用。
1.主要优点
享元模式的主要优点如下:
(1) 可以极大减少内存中对象的数量,使得相同或相似对象在内存中只保存一份,从而可以节约系统资源,提高系统性能。
(2) 享元模式的外部状态相对独立,而且不会影响其内部状态,从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享。
2.主要缺点
享元模式的主要缺点如下:
(1) 享元模式使得系统变得复杂,需要分离出内部状态和外部状态,这使得程序的逻辑复杂化。
(2) 为了使对象可以共享,享元模式需要将享元对象的部分状态外部化,而读取外部状态将使得运行时间变长。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用享元模式:
(1) 一个系统有大量相同或者相似的对象,造成内存的大量耗费。
(2) 对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些外部状态传入对象中。
(3) 在使用享元模式时需要维护一个存储享元对象的享元池,而这需要耗费一定的系统资源,因此,应当在需要多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

代理模式-Proxy Pattern

代理模式:给某一个对象提供一个代理或占位符,并由代理对象来控制对原对象的访问。在代理模式中引入了一个新的代理对象,代理对象在客户端对象和目标对象之间起到中介的作用,它去掉客户不能看到的内容和服务或者增添客户需要的额外的新服务。为了保证客户端使用的透明性,所访问的真实对象与代理对象需要实现相同的接口。
代理模式的结构比较简单,其核心是代理类,为了让客户端能够一致性地对待真实对象和代理对象,在代理模式中引入了抽象层,代理模式结构如下图所示:


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代理模式结构图

代理模式包含如下三个角色:
(1) Subject(抽象主题角色):它声明了真实主题和代理主题的共同接口,这样一来在任何使用真实主题的地方都可以使用代理主题,客户端通常需要针对抽象主题角色进行编程。
(2) Proxy(代理主题角色):它包含了对真实主题的引用,从而可以在任何时候操作真实主题对象;在代理主题角色中提供一个与真实主题角色相同的接口,以便在任何时候都可以替代真实主题;代理主题角色还可以控制对真实主题的使用,负责在需要的时候创建和删除真实主题对象,并对真实主题对象的使用加以约束。通常,在代理主题角色中,客户端在调用所引用的真实主题操作之前或之后还需要执行其他操作,而不仅仅是单纯调用真实主题对象中的操作。
(3) RealSubject(真实主题角色):它定义了代理角色所代表的真实对象,在真实主题角色中实现了真实的业务操作,客户端可以通过代理主题角色间接调用真实主题角色中定义的操作。

在实际开发过程中,代理类的实现比上述代码要复杂很多,代理模式根据其目的和实现方式不同可分为很多种类,其中常用的几种代理模式简要说明如下:
(1) 远程代理(Remote Proxy):为一个位于不同的地址空间的对象提供一个本地的代理对象,这个不同的地址空间可以是在同一台主机中,也可是在另一台主机中,远程代理又称为大使(Ambassador)。
(2) 虚拟代理(Virtual Proxy):如果需要创建一个资源消耗较大的对象,先创建一个消耗相对较小的对象来表示,真实对象只在需要时才会被真正创建。
(3) 保护代理(Protect Proxy):控制对一个对象的访问,可以给不同的用户提供不同级别的使用权限。
(4) 缓冲代理(Cache Proxy):为某一个目标操作的结果提供临时的存储空间,以便多个客户端可以共享这些结果。
(5) 智能引用代理(Smart Reference Proxy):当一个对象被引用时,提供一些额外的操作,例如将对象被调用的次数记录下来等。
在这些常用的代理模式中,有些代理类的设计非常复杂,例如远程代理类,它封装了底层网络通信和对远程对象的调用,其实现较为复杂。

远程代理
远程代理(Remote Proxy)是一种常用的代理模式,它使得客户端程序可以访问在远程主机上的对象,远程主机可能具有更好的计算性能与处理速度,可以快速响应并处理客户端的请求。远程代理可以将网络的细节隐藏起来,使得客户端不必考虑网络的存在。客户端完全可以认为被代理的远程业务对象是在本地而不是在远程,而远程代理对象承担了大部分的网络通信工作,并负责对远程业务方法的调用。
客户端对象不能直接访问远程主机中的业务对象,只能采取间接访问的方式。远程业务对象在本地主机中有一个代理对象,该代理对象负责对远程业务对象的访问和网络通信,它对于客户端对象而言是透明的。客户端无须关心实现具体业务的是谁,只需要按照服务接口所定义的方式直接与本地主机中的代理对象交互即可。RPC调用就是典型的远程代理。

虚拟代理
虚拟代理(Virtual Proxy)也是一种常用的代理模式,对于一些占用系统资源较多或者加载时间较长的对象,可以给这些对象提供一个虚拟代理。在真实对象创建成功之前虚拟代理扮演真实对象的替身,而当真实对象创建之后,虚拟代理将用户的请求转发给真实对象。
通常,在以下两种情况下可以考虑使用虚拟代理:
(1) 由于对象本身的复杂性或者网络等原因导致一个对象需要较长的加载时间,此时可以用一个加载时间相对较短的代理对象来代表真实对象。通常在实现时可以结合多线程技术,一个线程用于显示代理对象,其他线程用于加载真实对象。这种虚拟代理模式可以应用在程序启动的时候,由于创建代理对象在时间和处理复杂度上要少于创建真实对象,因此,在程序启动时,可以用代理对象代替真实对象初始化,大大加速了系统的启动时间。当需要使用真实对象时,再通过代理对象来引用,而此时真实对象可能已经成功加载完毕,可以缩短用户的等待时间。
(2) 当一个对象的加载十分耗费系统资源的时候,也非常适合使用虚拟代理。虚拟代理可以让那些占用大量内存或处理起来非常复杂的对象推迟到使用它们的时候才创建,而在此之前用一个相对来说占用资源较少的代理对象来代表真实对象,再通过代理对象来引用真实对象。为了节省内存,在第一次引用真实对象时再创建对象,并且该对象可被多次重用,在以后每次访问时需要检测所需对象是否已经被创建,因此在访问该对象时需要进行存在性检测,这需要消耗一定的系统时间,但是可以节省内存空间,这是一种用时间换取空间的做法。
无论是以上哪种情况,虚拟代理都是用一个“虚假”的代理对象来代表真实对象,通过代理对象来间接引用真实对象,可以在一定程度上提高系统的性能。

代理模式总结
代理模式和装饰模式非常类似,甚至代码都类似。二者最主要的区别是:代理模式中,代理类对被代理的对象有控制权,决定其执行或者不执行。而装饰模式中,装饰类对代理对象没有控制权,只能为其增加一层装饰,以加强被装饰对象的功能。装饰器模式关注于在一个对象上动态的添加方法,然而代理模式关注于控制对对象的访问。当使用代理模式的时候,我们常常在一个代理类中创建一个对象的实例。而当我们使用装饰器模 式的时候,我们通常的做法是将原始对象作为一个参数传给装饰者的构造器。
代理模式使用到极致开发就是AOP, 这是各位采用Spring架构开发必然要使用到的技术,它就是使用了代理和反射的技术。代理模式在Java的开发中俯拾皆是, 是大家非常熟悉的模式, 应用非常广泛, 而装饰模式是一个比较拘谨的模式, 在实际应用中接触比较少, 但是也有不少框架项目使用了装饰模式, 例如在JDK的java.io.*包中就大量使用装饰模式。

  1. 模式优点
    (1) 能够协调调用者和被调用者,在一定程度上降低了系统的耦合度。
    (2) 客户端可以针对抽象主题角色进行编程,增加和更换代理类无须修改源代码,符合开闭原则,系统具有较好的灵活性和可扩展性。
    此外,不同类型的代理模式也具有独特的优点,例如:
    (1) 远程代理为位于两个不同地址空间对象的访问提供了一种实现机制,可以将一些消耗资源较多的对象和操作移至性能更好的计算机上,提高系统的整体运行效率。
    (2) 虚拟代理通过一个消耗资源较少的对象来代表一个消耗资源较多的对象,可以在一定程度上节省系统的运行开销。
    (3) 缓冲代理为某一个操作的结果提供临时的缓存存储空间,以便在后续使用中能够共享这些结果,优化系统性能,缩短执行时间。
    (4) 保护代理可以控制对一个对象的访问权限,为不同用户提供不同级别的使用权限。
  2. 模式缺点
    代理模式的主要缺点如下:
    (1) 由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象,因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢,例如保护代理。
    (2) 实现代理模式需要额外的工作,而且有些代理模式的实现过程较为复杂,例如远程代理。
  3. 模式适用场景
    代理模式的类型较多,不同类型的代理模式有不同的优缺点,它们应用于不同的场合:
    (1) 当客户端对象需要访问远程主机中的对象时可以使用远程代理。
    (2) 当需要用一个消耗资源较少的对象来代表一个消耗资源较多的对象,从而降低系统开销、缩短运行时间时可以使用虚拟代理,例如一个对象需要很长时间才能完成加载时。
    (3) 当需要为某一个被频繁访问的操作结果提供一个临时存储空间,以供多个客户端共享访问这些结果时可以使用缓冲代理。通过使用缓冲代理,系统无须在客户端每一次访问时都重新执行操作,只需直接从临时缓冲区获取操作结果即可。
    (4) 当需要控制对一个对象的访问,为不同用户提供不同级别的访问权限时可以使用保护代理。
    (5) 当需要为一个对象的访问(引用)提供一些额外的操作时可以使用智能引用代理。

十一个行为型模式

职责链模式-Chain of Responsibility Pattern

职责链模式(Chain of Responsibility Pattern):避免请求发送者与接收者耦合在一起,让多个对象都有可能接收请求,将这些对象连接成一条链,并且沿着这条链传递请求,直到有对象处理它为止。职责链模式是一种对象行为型模式。
职责链模式结构的核心在于引入了一个抽象处理者。职责链模式结构如下图所示:


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职责链模式结构图

在职责链模式结构图中包含如下几个角色:
● Handler(抽象处理者):它定义了一个处理请求的接口,一般设计为抽象类,由于不同的具体处理者处理请求的方式不同,因此在其中定义了抽象请求处理方法。因为每一个处理者的下家还是一个处理者,因此在抽象处理者中定义了一个抽象处理者类型的对象(如结构图中的successor),作为其对下家的引用。通过该引用,处理者可以连成一条链。
● ConcreteHandler(具体处理者):它是抽象处理者的子类,可以处理用户请求,在具体处理者类中实现了抽象处理者中定义的抽象请求处理方法,在处理请求之前需要进行判断,看是否有相应的处理权限,如果可以处理请求就处理它,否则将请求转发给后继者;在具体处理者中可以访问链中下一个对象,以便请求的转发。
在职责链模式里,很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递,直到链上的某一个对象决定处理此请求。发出这个请求的客户端并不知道链上的哪一个对象最终处理这个请求,这使得系统可以在不影响客户端的情况下动态地重新组织链和分配责任。
需要注意的是,职责链模式并不创建职责链,职责链的创建工作必须由系统的其他部分来完成,一般是在使用该职责链的客户端中创建职责链。职责链模式降低了请求的发送端和接收端之间的耦合,使多个对象都有机会处理这个请求。

职责链模式总结
职责链模式通过建立一条链来组织请求的处理者,请求将沿着链进行传递,请求发送者无须知道请求在何时、何处以及如何被处理,实现了请求发送者与处理者的解耦。在软件开发中,如果遇到有多个对象可以处理同一请求时可以应用职责链模式,例如在Web应用开发中创建一个过滤器(Filter)链来对请求数据进行过滤,在工作流系统中实现公文的分级审批等等,使用职责链模式可以较好地解决此类问题。
1.主要优点
职责链模式的主要优点如下:
(1) 职责链模式使得一个对象无须知道是其他哪一个对象处理其请求,对象仅需知道该请求会被处理即可,接收者和发送者都没有对方的明确信息,且链中的对象不需要知道链的结构,由客户端负责链的创建,降低了系统的耦合度。
(2) 请求处理对象仅需维持一个指向其后继者的引用,而不需要维持它对所有的候选处理者的引用,可简化对象的相互连接。
(3) 在给对象分派职责时,职责链可以给我们更多的灵活性,可以通过在运行时对该链进行动态的增加或修改来增加或改变处理一个请求的职责。
(4) 在系统中增加一个新的具体请求处理者时无须修改原有系统的代码,只需要在客户端重新建链即可,从这一点来看是符合“开闭原则”的。
2.主要缺点
职责链模式的主要缺点如下:
(1) 由于一个请求没有明确的接收者,那么就不能保证它一定会被处理,该请求可能一直到链的末端都得不到处理;一个请求也可能因职责链没有被正确配置而得不到处理。
(2) 对于比较长的职责链,请求的处理可能涉及到多个处理对象,系统性能将受到一定影响,而且在进行代码调试时不太方便。
(3) 如果建链不当,可能会造成循环调用,将导致系统陷入死循环。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用职责链模式:
(1) 有多个对象可以处理同一个请求,具体哪个对象处理该请求待运行时刻再确定,客户端只需将请求提交到链上,而无须关心请求的处理对象是谁以及它是如何处理的。
(2) 在不明确指定接收者的情况下,向多个对象中的一个提交一个请求。
(3) 可动态指定一组对象处理请求,客户端可以动态创建职责链来处理请求,还可以改变链中处理者之间的先后次序。

命令模式-Command Pattern

在软件开发中,我们经常需要向某些对象发送请求(调用其中的某个或某些方法),但是并不知道请求的接收者是谁,也不知道被请求的操作是哪个,此时,我们特别希望能够以一种松耦合的方式来设计软件,使得请求发送者与请求接收者能够消除彼此之间的耦合,让对象之间的调用关系更加灵活,可以灵活地指定请求接收者以及被请求的操作。命令模式为此类问题提供了一个较为完美的解决方案。
命令模式可以将请求发送者和接收者完全解耦,发送者与接收者之间没有直接引用关系,发送请求的对象只需要知道如何发送请求,而不必知道如何完成请求。
命令模式(Command Pattern):将一个请求封装为一个对象,从而让我们可用不同的请求对客户进行参数化;对请求排队或者记录请求日志,以及支持可撤销的操作。命令模式是一种对象行为型模式,其别名为动作(Action)模式或事务(Transaction)模式。
命令模式的定义比较复杂,提到了很多术语,例如“用不同的请求对客户进行参数化”、“对请求排队”,“记录请求日志”、“支持可撤销操作”等,在后面我们将对这些术语进行一一讲解。
命令模式的核心在于引入了命令类,通过命令类来降低发送者和接收者的耦合度,请求发送者只需指定一个命令对象,再通过命令对象来调用请求接收者的处理方法,其结构如下图所示:


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命令模式结构图

在命令模式结构图中包含如下几个角色:
● Command(抽象命令类):抽象命令类一般是一个抽象类或接口,在其中声明了用于执行请求的execute()等方法,通过这些方法可以调用请求接收者的相关操作。
● ConcreteCommand(具体命令类):具体命令类是抽象命令类的子类,实现了在抽象命令类中声明的方法,它对应具体的接收者对象,将接收者对象的动作绑定其中。在实现execute()方法时,将调用接收者对象的相关操作(Action)。
● Invoker(调用者):调用者即请求发送者,它通过命令对象来执行请求。一个调用者并不需要在设计时确定其接收者,因此它只与抽象命令类之间存在关联关系。在程序运行时可以将一个具体命令对象注入其中,再调用具体命令对象的execute()方法,从而实现间接调用请求接收者的相关操作。
● Receiver(接收者):接收者执行与请求相关的操作,它具体实现对请求的业务处理。
命令模式的本质是对请求进行封装,一个请求对应于一个命令,将发出命令的责任和执行命令的责任分割开。每一个命令都是一个操作:请求的一方发出请求要求执行一个操作;接收的一方收到请求,并执行相应的操作。命令模式允许请求的一方和接收的一方独立开来,使得请求的一方不必知道接收请求的一方的接口,更不必知道请求如何被接收、操作是否被执行、何时被执行,以及是怎么被执行的。
命令模式的关键在于引入了抽象命令类,请求发送者针对抽象命令类编程,只有实现了抽象命令类的具体命令才与请求接收者相关联。在最简单的抽象命令类中只包含了一个抽象的execute()方法,每个具体命令类将一个Receiver类型的对象作为一个实例变量进行存储,从而具体指定一个请求的接收者,不同的具体命令类提供了execute()方法的不同实现,并调用不同接收者的请求处理方法。

宏命令
宏命令(Macro Command)又称为组合命令,它是组合模式和命令模式联用的产物。宏命令是一个具体命令类,它拥有一个集合属性,在该集合中包含了对其他命令对象的引用。通常宏命令不直接与请求接收者交互,而是通过它的成员来调用接收者的方法。当调用宏命令的execute()方法时,将递归调用它所包含的每个成员命令的execute()方法,一个宏命令的成员可以是简单命令,还可以继续是宏命令。执行一个宏命令将触发多个具体命令的执行,从而实现对命令的批处理,其结构如下图所示:

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宏命令结构图

命令模式总结
命令模式是一种使用频率非常高的设计模式,它可以将请求发送者与接收者解耦,请求发送者通过命令对象来间接引用请求接收者,使得系统具有更好的灵活性和可扩展性。在基于GUI的软件开发,无论是在电脑桌面应用还是在移动应用中,命令模式都得到了广泛的应用。

  1. 主要优点
    命令模式的主要优点如下:
    (1) 降低系统的耦合度。由于请求者与接收者之间不存在直接引用,因此请求者与接收者之间实现完全解耦,相同的请求者可以对应不同的接收者,同样,相同的接收者也可以供不同的请求者使用,两者之间具有良好的独立性。
    (2) 新的命令可以很容易地加入到系统中。由于增加新的具体命令类不会影响到其他类,因此增加新的具体命令类很容易,无须修改原有系统源代码,甚至客户类代码,满足“开闭原则”的要求。
    (3) 可以比较容易地设计一个命令队列或宏命令(组合命令)。
    (4) 为请求的撤销(Undo)和恢复(Redo)操作提供了一种设计和实现方案。
  2. 主要缺点
    命令模式的主要缺点如下:
    使用命令模式可能会导致某些系统有过多的具体命令类。因为针对每一个对请求接收者的调用操作都需要设计一个具体命令类,因此在某些系统中可能需要提供大量的具体命令类,这将影响命令模式的使用。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用命令模式:
    (1) 系统需要将请求调用者和请求接收者解耦,使得调用者和接收者不直接交互。请求调用者无须知道接收者的存在,也无须知道接收者是谁,接收者也无须关心何时被调用。
    (2) 系统需要在不同的时间指定请求、将请求排队和执行请求。一个命令对象和请求的初始调用者可以有不同的生命期,换言之,最初的请求发出者可能已经不在了,而命令对象本身仍然是活动的,可以通过该命令对象去调用请求接收者,而无须关心请求调用者的存在性,可以通过请求日志文件等机制来具体实现。
    (3) 系统需要支持命令的撤销(Undo)操作和恢复(Redo)操作。
    (4) 系统需要将一组操作组合在一起形成宏命令。

解释器模式-Interpreter Pattern

文法规则和抽象语法树
解释器模式描述了如何为简单的语言定义一个文法,如何在该语言中表示一个句子,以及如何解释这些句子。在正式分析解释器模式结构之前,我们先来学习如何表示一个语言的文法规则以及如何构造一棵抽象语法树。例如“1 + 2 + 3 – 4 + 1”,可以使用如下文法规则来定义:

expression ::= value | operation
operation ::= expression '+' expression | expression '-'  expression
value ::= an integer //一个整数值

该文法规则包含三条语句,第一条表示表达式的组成方式,其中value和operation是后面两个语言单位的定义,每一条语句所定义的字符串如operation和value称为语言构造成分或语言单位,符号“::=”表示“定义为”的意思,其左边的语言单位通过右边来进行说明和定义,语言单位对应终结符表达式和非终结符表达式。如本规则中的operation是非终结符表达式,它的组成元素仍然可以是表达式,可以进一步分解,而value是终结符表达式,它的组成元素是最基本的语言单位,不能再进行分解。
在文法规则定义中可以使用一些符号来表示不同的含义,如使用“|”表示或,使用“{”和“}”表示组合,使用“*”表示出现0次或多次等,其中使用频率最高的符号是表示“或”关系的“|”,如文法规则“boolValue ::= 0 | 1”表示终结符表达式boolValue的取值可以为0或者1。
除了使用文法规则来定义一个语言,在解释器模式中还可以通过一种称之为抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)的图形方式来直观地表示语言的构成,每一棵抽象语法树对应一个语言实例,如加法/减法表达式语言中的语句“1+ 2 + 3 – 4 + 1”,可以通过如下图所示抽象语法树来表示:


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抽象语法树示意图

在该抽象语法树中,可以通过终结符表达式value和非终结符表达式operation组成复杂的语句,每个文法规则的语言实例都可以表示为一个抽象语法树,即每一条具体的语句都可以用类似上图所示的抽象语法树来表示,在图中终结符表达式类的实例作为树的叶子节点,而非终结符表达式类的实例作为非叶子节点,它们可以将终结符表达式类的实例以及包含终结符和非终结符实例的子表达式作为其子节点。抽象语法树描述了如何构成一个复杂的句子,通过对抽象语法树的分析,可以识别出语言中的终结符类和非终结符类。

解释器模式
解释器模式是一种使用频率相对较低但学习难度较大的设计模式,它用于描述如何使用面向对象语言构成一个简单的语言解释器。在某些情况下,为了更好地描述某一些特定类型的问题,我们可以创建一种新的语言,这种语言拥有自己的表达式和结构,即文法规则,这些问题的实例将对应为该语言中的句子。此时,可以使用解释器模式来设计这种新的语言。对解释器模式的学习能够加深我们对面向对象思想的理解,并且掌握编程语言中文法规则的解释过程。
解释器模式(Interpreter Pattern):定义一个语言的文法,并且建立一个解释器来解释该语言中的句子,这里的“语言”是指使用规定格式和语法的代码。解释器模式是一种类行为型模式。
由于表达式可分为终结符表达式和非终结符表达式,因此解释器模式的结构与组合模式的结构有些类似,但在解释器模式中包含更多的组成元素,它的结构如下图所示:

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解释器模式结构图

在解释器模式结构图中包含如下几个角色:
● AbstractExpression(抽象表达式):在抽象表达式中声明了抽象的解释操作,它是所有终结符表达式和非终结符表达式的公共父类。
● TerminalExpression(终结符表达式):终结符表达式是抽象表达式的子类,它实现了与文法中的终结符相关联的解释操作,在句子中的每一个终结符都是该类的一个实例。通常在一个解释器模式中只有少数几个终结符表达式类,它们的实例可以通过非终结符表达式组成较为复杂的句子。
● NonterminalExpression(非终结符表达式):非终结符表达式也是抽象表达式的子类,它实现了文法中非终结符的解释操作,由于在非终结符表达式中可以包含终结符表达式,也可以继续包含非终结符表达式,因此其解释操作一般通过递归的方式来完成。
● Context(环境类):环境类又称为上下文类,它用于存储解释器之外的一些全局信息,通常它临时存储了需要解释的语句。
最后还需要一个工具类用于对输入指令进行处理,将输入指令按照优先级语法解析成符号表达式存入栈中,再从栈中取出按约定语法构成的能够解析的符号表达式,逐个解析。

解释器模式总结
解释器模式为自定义语言的设计和实现提供了一种解决方案,它用于定义一组文法规则并通过这组文法规则来解释语言中的句子。虽然解释器模式的使用频率不是特别高,但是它在正则表达式、XML文档解释等领域还是得到了广泛使用。与解释器模式类似,目前还诞生了很多基于抽象语法树的源代码处理工具,例如Mysql的语法解析工具druid等,它可以用于表示Java语言的语法结构,用户可以通过扩展其功能,创建自己的文法规则。

  1. 主要优点
    解释器模式的主要优点如下:
    (1) 易于改变和扩展文法。由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则,因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
    (2) 每一条文法规则都可以表示为一个类,因此可以方便地实现一个简单的语言。
    (3) 实现文法较为容易。在抽象语法树中每一个表达式节点类的实现方式都是相似的,这些类的代码编写都不会特别复杂,还可以通过一些工具自动生成节点类代码。
    (4) 增加新的解释表达式较为方便。如果用户需要增加新的解释表达式只需要对应增加一个新的终结符表达式或非终结符表达式类,原有表达式类代码无须修改,符合“开闭原则”。
  2. 主要缺点
    解释器模式的主要缺点如下:
    (1) 对于复杂文法难以维护。在解释器模式中,每一条规则至少需要定义一个类,因此如果一个语言包含太多文法规则,类的个数将会急剧增加,导致系统难以管理和维护,此时可以考虑使用语法分析程序等方式来取代解释器模式。
    (2) 执行效率较低。由于在解释器模式中使用了大量的循环和递归调用,因此在解释较为复杂的句子时其速度很慢,而且代码的调试过程也比较麻烦。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用解释器模式:
    (1) 可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树。
    (2) 一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达。
    (3) 一个语言的文法较为简单。
    (4) 执行效率不是关键问题。【注:高效的解释器通常不是通过直接解释抽象语法树来实现的,而是需要将它们转换成其他形式,使用解释器模式的执行效率并不高。】

迭代器模式-Iterator Pattern

在软件开发中,我们经常需要使用聚合对象来存储一系列数据。聚合对象拥有两个职责:一是存储数据;二是遍历数据。从依赖性来看,前者是聚合对象的基本职责;而后者既是可变化的,又是可分离的。因此,可以将遍历数据的行为从聚合对象中分离出来,封装在一个被称之为“迭代器”的对象中,由迭代器来提供遍历聚合对象内部数据的行为,这将简化聚合对象的设计,更符合“单一职责原则”的要求。
迭代器模式(Iterator Pattern):提供一种方法来访问聚合对象,而不用暴露这个对象的内部表示,其别名为游标(Cursor)。迭代器模式是一种对象行为型模式。
在迭代器模式结构中包含聚合和迭代器两个层次结构,考虑到系统的灵活性和可扩展性,在迭代器模式中应用了工厂方法模式,其模式结构如下图所示:

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迭代器模式结构图

在迭代器模式结构图中包含如下几个角色:
● Iterator(抽象迭代器):它定义了访问和遍历元素的接口,声明了用于遍历数据元素的方法,例如:用于获取第一个元素的first()方法,用于访问下一个元素的next()方法,用于判断是否还有下一个元素的hasNext()方法,用于获取当前元素的currentItem()方法等,在具体迭代器中将实现这些方法。
● ConcreteIterator(具体迭代器):它实现了抽象迭代器接口,完成对聚合对象的遍历,同时在具体迭代器中通过游标来记录在聚合对象中所处的当前位置,在具体实现时,游标通常是一个表示位置的非负整数。
● Aggregate(抽象聚合类):它用于存储和管理元素对象,声明一个createIterator()方法用于创建一个迭代器对象,充当抽象迭代器工厂角色。
● ConcreteAggregate(具体聚合类):它实现了在抽象聚合类中声明的createIterator()方法,该方法返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器ConcreteIterator实例。
在迭代器模式中,提供了一个外部的迭代器来对聚合对象进行访问和遍历,迭代器定义了一个访问该聚合元素的接口,并且可以跟踪当前遍历的元素,了解哪些元素已经遍历过而哪些没有。迭代器的引入,将使得对一个复杂聚合对象的操作变得简单。
需要注意的是抽象迭代器接口的设计非常重要,一方面需要充分满足各种遍历操作的要求,尽量为各种遍历方法都提供声明,另一方面又不能包含太多方法,接口中方法太多将给子类的实现带来麻烦。因此,可以考虑使用抽象类来设计抽象迭代器,在抽象类中为每一个方法提供一个空的默认实现。如果需要在具体迭代器中为聚合对象增加全新的遍历操作,则必须修改抽象迭代器和具体迭代器的源代码,这将违反“开闭原则”,因此在设计时要考虑全面,避免之后修改接口。
在迭代器模式结构图中,我们可以看到具体迭代器类和具体聚合类之间存在双重关系,其中一个关系为关联关系,在具体迭代器中需要维持一个对具体聚合对象的引用,该关联关系的目的是访问存储在聚合对象中的数据,以便迭代器能够对这些数据进行遍历操作。
使用内部类实现迭代器
除了使用关联关系外,为了能够让迭代器可以访问到聚合对象中的数据,我们还可以将迭代器类设计为聚合类的内部类,JDK中的迭代器类就是通过这种方法来实现的,如下AbstractList类代码片段所示:

package java.util;
……
public abstract class AbstractList<E> extends AbstractCollection<E> implements List<E> {
    ......
    private class Itr implements Iterator<E> {
        int cursor = 0;
        ......
}
……
}

无论使用哪种实现机制,客户端代码都是一样的,也就是说客户端无须关心具体迭代器对象的创建细节,只需通过调用工厂方法createIterator()即可得到一个可用的迭代器对象,这也是使用工厂方法模式的好处,通过工厂来封装对象的创建过程,简化了客户端的调用。
JDK内置迭代器
为了让开发人员能够更加方便地操作聚合对象,在Java、C#等编程语言中都提供了内置迭代器。在Java集合框架中,常用的List和Set等聚合类都继承(或实现)了java.util.Collection接口,在Collection接口中声明了如下方法(部分):

package java.util;

public interface Collection<E> extends Iterable<E> {
   ……
boolean add(Object c);
boolean addAll(Collection c);
boolean remove(Object o);
boolean removeAll(Collection c);
boolean remainAll(Collection c); 
Iterator iterator();
……
}

除了包含一些增加元素和删除元素的方法外,还提供了一个iterator()方法,用于返回一个Iterator迭代器对象,以便遍历聚合中的元素;具体的Java聚合类可以通过实现该iterator()方法返回一个具体的Iterator对象。
JDK中定义了抽象迭代器接口Iterator,代码如下所示:

package java.util;
public interface Iterator<E> {
boolean hasNext();
E next();
void remove();
}

其中,hasNext()用于判断聚合对象中是否还存在下一个元素,为了不抛出异常,在每次调用next()之前需先调用hasNext(),如果有可供访问的元素,则返回true;next()方法用于将游标移至下一个元素,通过它可以逐个访问聚合中的元素,它返回游标所越过的那个元素的引用;remove()方法用于删除上次调用next()时所返回的元素。
在JDK中,Collection接口和Iterator接口充当了迭代器模式的抽象层,分别对应于抽象聚合类和抽象迭代器,而Collection接口的子类充当了具体聚合类,下面以List为例加以说明,图6列出了JDK中部分与List有关的类及它们之间的关系:


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Java集合框架中部分类结构图

迭代器模式总结
迭代器模式是一种使用频率非常高的设计模式,通过引入迭代器可以将数据的遍历功能从聚合对象中分离出来,聚合对象只负责存储数据,而遍历数据由迭代器来完成。由于很多编程语言的类库都已经实现了迭代器模式,因此在实际开发中,我们只需要直接使用Java、C#等语言已定义好的迭代器即可,迭代器已经成为我们操作聚合对象的基本工具之一。

  1. 主要优点
    迭代器模式的主要优点如下:
    (1) 它支持以不同的方式遍历一个聚合对象,在同一个聚合对象上可以定义多种遍历方式。在迭代器模式中只需要用一个不同的迭代器来替换原有迭代器即可改变遍历算法,我们也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历方式。
    (2) 迭代器简化了聚合类。由于引入了迭代器,在原有的聚合对象中不需要再自行提供数据遍历等方法,这样可以简化聚合类的设计。
    (3) 在迭代器模式中,由于引入了抽象层,增加新的聚合类和迭代器类都很方便,无须修改原有代码,满足“开闭原则”的要求。
  2. 主要缺点
    迭代器模式的主要缺点如下:
    (1) 由于迭代器模式将存储数据和遍历数据的职责分离,增加新的聚合类需要对应增加新的迭代器类,类的个数成对增加,这在一定程度上增加了系统的复杂性。
    (2) 抽象迭代器的设计难度较大,需要充分考虑到系统将来的扩展,例如JDK内置迭代器Iterator就无法实现逆向遍历,如果需要实现逆向遍历,只能通过其子类ListIterator等来实现,而ListIterator迭代器无法用于操作Set类型的聚合对象。在自定义迭代器时,创建一个考虑全面的抽象迭代器并不是件很容易的事情。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用迭代器模式:
    (1) 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。将聚合对象的访问与内部数据的存储分离,使得访问聚合对象时无须了解其内部实现细节。
    (2) 需要为一个聚合对象提供多种遍历方式。
    (3) 为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口,在该接口的实现类中为不同的聚合结构提供不同的遍历方式,而客户端可以一致性地操作该接口。

中介者模式-Mediator Pattern

如果在一个系统中对象之间的联系呈现为网状结构。对象之间存在大量的多对多联系,将导致系统非常复杂,这些对象既会影响别的对象,也会被别的对象所影响,这些对象称为同事对象,它们之间通过彼此的相互作用实现系统的行为。在网状结构中,几乎每个对象都需要与其他对象发生相互作用,而这种相互作用表现为一个对象与另外一个对象的直接耦合,这将导致一个过度耦合的系统。
中介者模式可以使对象之间的关系数量急剧减少,通过引入中介者对象,可以将系统的网状结构变成以中介者为中心的星形结构。在这个星形结构中,同事对象不再直接与另一个对象联系,它通过中介者对象与另一个对象发生相互作用。中介者对象的存在保证了对象结构上的稳定,也就是说,系统的结构不会因为新对象的引入带来大量的修改工作。
如果在一个系统中对象之间存在多对多的相互关系,我们可以将对象之间的一些交互行为从各个对象中分离出来,并集中封装在一个中介者对象中,并由该中介者进行统一协调,这样对象之间多对多的复杂关系就转化为相对简单的一对多关系。通过引入中介者来简化对象之间的复杂交互,中介者模式是“迪米特法则”的一个典型应用。
中介者模式(Mediator Pattern):用一个中介对象(中介者)来封装一系列的对象交互,中介者使各对象不需要显式地相互引用,从而使其耦合松散,而且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式又称为调停者模式,它是一种对象行为型模式。
在中介者模式中,我们引入了用于协调其他对象/类之间相互调用的中介者类,为了让系统具有更好的灵活性和可扩展性,通常还提供了抽象中介者,其结构图如下图所示:

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中介者模式结构图

在中介者模式结构图中包含如下几个角色:
● Mediator(抽象中介者):它定义一个接口,该接口用于与各同事对象之间进行通信。
● ConcreteMediator(具体中介者):它是抽象中介者的子类,通过协调各个同事对象来实现协作行为,它维持了对各个同事对象的引用。
● Colleague(抽象同事类):它定义各个同事类公有的方法,并声明了一些抽象方法来供子类实现,同时它维持了一个对抽象中介者类的引用,其子类可以通过该引用来与中介者通信。
● ConcreteColleague(具体同事类):它是抽象同事类的子类;每一个同事对象在需要和其他同事对象通信时,先与中介者通信,通过中介者来间接完成与其他同事类的通信;在具体同事类中实现了在抽象同事类中声明的抽象方法。
中介者模式的核心在于中介者类的引入,在中介者模式中,中介者类承担了两方面的职责:
(1) 中转作用(结构性):通过中介者提供的中转作用,各个同事对象就不再需要显式引用其他同事,当需要和其他同事进行通信时,可通过中介者来实现间接调用。该中转作用属于中介者在结构上的支持。
(2) 协调作用(行为性):中介者可以更进一步的对同事之间的关系进行封装,同事可以一致的和中介者进行交互,而不需要指明中介者需要具体怎么做,中介者根据封装在自身内部的协调逻辑,对同事的请求进行进一步处理,将同事成员之间的关系行为进行分离和封装。该协调作用属于中介者在行为上的支持。
在具体同事类ConcreteColleague中实现了在抽象同事类中声明的方法,其中部分方法是同事类的自身方法(Self-Method),用于处理自己的行为,而另外部分方式是依赖方法(Depend-Method),用于调用在中介者中定义的方法,依赖中介者来完成相应的行为,例如调用另一个同事类的相关方法。
在中介者模式的实际使用过程中,如果需要引入新的具体同事类,只需要继承抽象同事类并实现其中的方法即可,由于具体同事类之间并无直接的引用关系,因此原有所有同事类无须进行任何修改,它们与新增同事对象之间的交互可以通过修改或者增加具体中介者类来实现;如果需要在原有系统中增加新的具体中介者类,只需要继承抽象中介者类(或已有的具体中介者类)并覆盖其中定义的方法即可,在新的具体中介者中可以通过不同的方式来处理对象之间的交互,也可以增加对新增同事的引用和调用。在客户端中只需要修改少许代码(如果引入配置文件的话有时可以不修改任何代码)就可以实现中介者的更换。
中介者模式总结
中介者模式将一个网状的系统结构变成一个以中介者对象为中心的星形结构,在这个星型结构中,使用中介者对象与其他对象的一对多关系来取代原有对象之间的多对多关系。中介者模式在事件驱动类软件中应用较为广泛,特别是基于GUI(Graphical User Interface,图形用户界面)的应用软件,此外,在类与类之间存在错综复杂的关联关系的系统中,中介者模式都能得到较好的应用。

  1. 主要优点
    中介者模式的主要优点如下:
    (1) 中介者模式简化了对象之间的交互,它用中介者和同事的一对多交互代替了原来同事之间的多对多交互,一对多关系更容易理解、维护和扩展,将原本难以理解的网状结构转换成相对简单的星型结构。
    (2) 中介者模式可将各同事对象解耦。中介者有利于各同事之间的松耦合,我们可以独立的改变和复用每一个同事和中介者,增加新的中介者和新的同事类都比较方便,更好地符合“开闭原则”。
    (3) 可以减少子类生成,中介者将原本分布于多个对象间的行为集中在一起,改变这些行为只需生成新的中介者子类即可,这使各个同事类可被重用,无须对同事类进行扩展。
  2. 主要缺点
    中介者模式的主要缺点如下:
    在具体中介者类中包含了大量同事之间的交互细节,可能会导致具体中介者类非常复杂,使得系统难以维护。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用中介者模式:
    (1) 系统中对象之间存在复杂的引用关系,系统结构混乱且难以理解。
    (2) 一个对象由于引用了其他很多对象并且直接和这些对象通信,导致难以复用该对象。
    (3) 想通过一个中间类来封装多个类中的行为,而又不想生成太多的子类。可以通过引入中介者类来实现,在中介者中定义对象交互的公共行为,如果需要改变行为则可以增加新的具体中介者类。

备忘录模式-Memento Pattern

备忘录模式提供了一种状态恢复的实现机制,使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤,当新的状态无效或者存在问题时,可以使用暂时存储起来的备忘录将状态复原,当前很多软件都提供了撤销(Undo)操作,其中就使用了备忘录模式。
备忘录模式(Memento Pattern):在不破坏封装的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态,这样可以在以后将对象恢复到原先保存的状态。它是一种对象行为型模式,其别名为Token。
备忘录模式的核心是备忘录类以及用于管理备忘录的负责人类的设计,其结构如下图所示:


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备忘录模式结构图

在备忘录模式结构图中包含如下几个角色:
● Originator(原发器):它是一个普通类,可以创建一个备忘录,并存储它的当前内部状态,也可以使用备忘录来恢复其内部状态,一般将需要保存内部状态的类设计为原发器。
●Memento(备忘录):存储原发器的内部状态,根据原发器来决定保存哪些内部状态。备忘录的设计一般可以参考原发器的设计,根据实际需要确定备忘录类中的属性。需要注意的是,除了原发器本身与负责人类之外,备忘录对象不能直接供其他类使用,原发器的设计在不同的编程语言中实现机制会有所不同。
●Caretaker(负责人):负责人又称为管理者,它负责保存备忘录,但是不能对备忘录的内容进行操作或检查。在负责人类中可以存储一个或多个备忘录对象,它只负责存储对象,而不能修改对象,也无须知道对象的实现细节。
理解备忘录模式并不难,但关键在于如何设计备忘录类和负责人类。由于在备忘录中存储的是原发器的中间状态,因此需要防止原发器以外的其他对象访问备忘录,特别是不允许其他对象来修改备忘录。
对于备忘录类Memento而言,它通常提供了与原发器相对应的属性(可以是全部,也可以是部分)用于存储原发器的状态。
在设计备忘录类时需要考虑其封装性,除了Originator类,不允许其他类来调用备忘录类Memento的构造函数与相关方法,如果不考虑封装性,允许其他类调用setState()等方法,将导致在备忘录中保存的历史状态发生改变,通过撤销操作所恢复的状态就不再是真实的历史状态,备忘录模式也就失去了本身的意义。
在使用Java语言实现备忘录模式时,一般通过将Memento类与Originator类定义在同一个包(package)中来实现封装,在Java语言中可使用默认访问标识符来定义Memento类,即保证其包内可见。只有Originator类可以对Memento进行访问,而限制了其他类对Memento的访问。在 Memento中保存了Originator的state值,如果Originator中的state值改变之后需撤销,可以通过调用它的restoreMemento()方法进行恢复。
对于负责人类Caretaker,它用于保存备忘录对象,并提供getMemento()方法用于向客户端返回一个备忘录对象,原发器通过使用这个备忘录对象可以回到某个历史状态。在Caretaker类中不应该直接调用Memento中的状态改变方法,它的作用仅仅用于存储备忘录对象。将原发器备份生成的备忘录对象存储在其中,当用户需要对原发器进行恢复时再将存储在其中的备忘录对象取出。
有时候用户需要撤销多步操作。如何实现多次撤销呢?那就是在负责人类中定义一个集合来存储多个备忘录,每个备忘录负责保存一个历史状态,在撤销时可以对备忘录集合进行逆向遍历,回到一个指定的历史状态,而且还可以对备忘录集合进行正向遍历,实现重做(Redo)操作,即取消撤销,让对象状态得到恢复。
备忘录是一个很特殊的对象,只有原发器对它拥有控制的权力,负责人只负责管理,而其他类无法访问到备忘录,因此我们需要对备忘录进行封装。
为了实现对备忘录对象的封装,需要对备忘录的调用进行控制,对于原发器而言,它可以调用备忘录的所有信息,允许原发器访问返回到先前状态所需的所有数据;对于负责人而言,只负责备忘录的保存并将备忘录传递给其他对象;对于其他对象而言,只需要从负责人处取出备忘录对象并将原发器对象的状态恢复,而无须关心备忘录的保存细节。理想的情况是只允许生成该备忘录的那个原发器访问备忘录的内部状态。
在实际开发中,原发器与备忘录之间的关系是非常特殊的,它们要分享信息而不让其他类知道,实现的方法因编程语言的不同而有所差异,在C++中可以使用friend关键字,让原发器类和备忘录类成为友元类,互相之间可以访问对象的一些私有的属性;在Java语言中可以将原发器类和备忘录类放在一个包中,让它们之间满足默认的包内可见性,也可以将备忘录类作为原发器类的内部类,使得只有原发器才可以访问备忘录中的数据,其他对象都无法使用备忘录中的数据。

备忘录模式总结
备忘录模式在很多软件的使用过程中普遍存在,但是在应用软件开发中,它的使用频率并不太高,因为现在很多基于窗体和浏览器的应用软件并没有提供撤销操作。如果需要为软件提供撤销功能,备忘录模式无疑是一种很好的解决方案。在一些字处理软件、图像编辑软件、数据库管理系统等软件中备忘录模式都得到了很好的应用。
1.主要优点
备忘录模式的主要优点如下:
(1)它提供了一种状态恢复的实现机制,使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤,当新的状态无效或者存在问题时,可以使用暂时存储起来的备忘录将状态复原。
(2)备忘录实现了对信息的封装,一个备忘录对象是一种原发器对象状态的表示,不会被其他代码所改动。备忘录保存了原发器的状态,采用列表、堆栈等集合来存储备忘录对象可以实现多次撤销操作。
2.主要缺点
备忘录模式的主要缺点如下:
资源消耗过大,如果需要保存的原发器类的成员变量太多,就不可避免需要占用大量的存储空间,每保存一次对象的状态都需要消耗一定的系统资源。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用备忘录模式:
(1)保存一个对象在某一个时刻的全部状态或部分状态,这样以后需要时它能够恢复到先前的状态,实现撤销操作。
(2)防止外界对象破坏一个对象历史状态的封装性,避免将对象历史状态的实现细节暴露给外界对象。

观察者模式-Observer Pattern

观察者模式是使用频率最高的设计模式之一,它用于建立一种对象与对象之间的依赖关系,一个对象发生改变时将自动通知其他对象,其他对象将相应作出反应。在观察者模式中,发生改变的对象称为观察目标,而被通知的对象称为观察者,一个观察目标可以对应多个观察者,而且这些观察者之间可以没有任何相互联系,可以根据需要增加和删除观察者,使得系统更易于扩展。
观察者模式(Observer Pattern):定义对象之间的一种一对多依赖关系,使得每当一个对象状态发生改变时,其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式的别名包括发布-订阅(Publish/Subscribe)模式、模型-视图(Model/View)模式、源-监听器(Source/Listener)模式或从属者(Dependents)模式。观察者模式是一种对象行为型模式。
观察者模式结构中通常包括观察目标和观察者两个继承层次结构,其结构如下图所示:


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观察者模式结构图

在观察者模式结构图中包含如下几个角色:
● Subject(目标):目标又称为主题,它是指被观察的对象。在目标中定义了一个观察者集合,一个观察目标可以接受任意数量的观察者来观察,它提供一系列方法来增加和删除观察者对象,同时它定义了通知方法notify()。目标类可以是接口,也可以是抽象类或具体类。
● ConcreteSubject(具体目标):具体目标是目标类的子类,通常它包含有经常发生改变的数据,当它的状态发生改变时,向它的各个观察者发出通知;同时它还实现了在目标类中定义的抽象业务逻辑方法(如果有的话)。如果无须扩展目标类,则具体目标类可以省略。
● Observer(观察者):观察者将对观察目标的改变做出反应,观察者一般定义为接口,该接口声明了更新数据的方法update(),因此又称为抽象观察者。
● ConcreteObserver(具体观察者):在具体观察者中维护一个指向具体目标对象的引用,它存储具体观察者的有关状态,这些状态需要和具体目标的状态保持一致;它实现了在抽象观察者Observer中定义的update()方法。通常在实现时,可以调用具体目标类的attach()方法将自己添加到目标类的集合中或通过detach()方法将自己从目标类的集合中删除。
观察者模式描述了如何建立对象与对象之间的依赖关系,以及如何构造满足这种需求的系统。观察者模式包含观察目标和观察者两类对象,一个目标可以有任意数目的与之相依赖的观察者,一旦观察目标的状态发生改变,所有的观察者都将得到通知。作为对这个通知的响应,每个观察者都将监视观察目标的状态以使其状态与目标状态同步,这种交互也称为发布-订阅(Publish-Subscribe)。观察目标是通知的发布者,它发出通知时并不需要知道谁是它的观察者,可以有任意数目的观察者订阅它并接收通知。
在有些更加复杂的情况下,具体观察者类ConcreteObserver的update()方法在执行时需要使用到具体目标类ConcreteSubject中的状态(属性),因此在ConcreteObserver与ConcreteSubject之间有时候还存在关联或依赖关系,在ConcreteObserver中定义一个ConcreteSubject实例,通过该实例获取存储在ConcreteSubject中的状态。如果ConcreteObserver的update()方法不需要使用到ConcreteSubject中的状态属性,则可以对观察者模式的标准结构进行简化,在具体观察者ConcreteObserver和具体目标ConcreteSubject之间无须维持对象引用。如果在具体层具有关联关系,系统的扩展性将受到一定的影响,增加新的具体目标类有时候需要修改原有观察者的代码,在一定程度上违反了“开闭原则”,但是如果原有观察者类无须关联新增的具体目标,则系统扩展性不受影响。
观察者模式在Java语言中的地位非常重要。在JDK的java.util包中,提供了Observable类以及Observer接口,它们构成了JDK对观察者模式的支持。如下图所示:


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JDK提供的Observable类及Observer接口结构图

在java.util.Observer接口中只声明一个方法,它充当抽象观察者,当观察目标的状态发生变化时,该方法将会被调用,在Observer的子类中将实现update()方法,即具体观察者可以根据需要具有不同的更新行为。当调用观察目标类Observable的notifyObservers()方法时,将执行观察者类中的update()方法。
java.util.Observable类充当观察目标类,在Observable中定义了一个向量Vector来存储观察者对象,它所包含的方法及说明见下表:

方法名 方法描述
Observable() 构造方法,实例化Vector向量。
addObserver(Observer o) 用于注册新的观察者对象到向量中。
deleteObserver (Observer o) 用于删除向量中的某一个观察者对象。
notifyObservers()和notifyObservers(Object arg) 通知方法,用于在方法内部循环调用向量中每一个观察者的update()方法。
deleteObservers() 用于清空向量,即删除向量中所有观察者对象。
setChanged() 该方法被调用后会设置一个boolean类型的内部标记变量changed的值为true,表示观察目标对象的状态发生了变化。
clearChanged() 用于将changed变量的值设为false,表示对象状态不再发生改变或者已经通知了所有的观察者对象,调用了它们的update()方法。
hasChanged() 用于测试对象状态是否改变。
countObservers() 用于返回向量中观察者的数量。

我们可以直接使用Observer接口和Observable类来作为观察者模式的抽象层,再自定义具体观察者类和具体观察目标类,通过使用JDK中的Observer接口和Observable类,可以更加方便地在Java语言中应用观察者模式。

观察者模式总结
观察者模式是一种使用频率非常高的设计模式,无论是移动应用、Web应用或者桌面应用,观察者模式几乎无处不在,它为实现对象之间的联动提供了一套完整的解决方案,凡是涉及到一对一或者一对多的对象交互场景都可以使用观察者模式。观察者模式广泛应用于各种编程语言的GUI事件处理的实现,在基于事件的XML解析技术(如SAX2)以及Web事件处理中也都使用了观察者模式。
1.主要优点
观察者模式的主要优点如下:
(1) 观察者模式可以实现表示层和数据逻辑层的分离,定义了稳定的消息更新传递机制,并抽象了更新接口,使得可以有各种各样不同的表示层充当具体观察者角色。
(2) 观察者模式在观察目标和观察者之间建立一个抽象的耦合。观察目标只需要维持一个抽象观察者的集合,无须了解其具体观察者。由于观察目标和观察者没有紧密地耦合在一起,因此它们可以属于不同的抽象化层次。
(3) 观察者模式支持广播通信,观察目标会向所有已注册的观察者对象发送通知,简化了一对多系统设计的难度。
(4) 观察者模式满足“开闭原则”的要求,增加新的具体观察者无须修改原有系统代码,在具体观察者与观察目标之间不存在关联关系的情况下,增加新的观察目标也很方便。
2.主要缺点
观察者模式的主要缺点如下:
(1) 如果一个观察目标对象有很多直接和间接观察者,将所有的观察者都通知到会花费很多时间。
(2) 如果在观察者和观察目标之间存在循环依赖,观察目标会触发它们之间进行循环调用,可能导致系统崩溃。
(3) 观察者模式没有相应的机制让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的,而仅仅只是知道观察目标发生了变化。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用观察者模式:
(1) 一个抽象模型有两个方面,其中一个方面依赖于另一个方面,将这两个方面封装在独立的对象中使它们可以各自独立地改变和复用。
(2) 一个对象的改变将导致一个或多个其他对象也发生改变,而并不知道具体有多少对象将发生改变,也不知道这些对象是谁。
(3) 需要在系统中创建一个触发链,A对象的行为将影响B对象,B对象的行为将影响C对象……,可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。

状态模式-State Pattern

状态模式用于解决系统中复杂对象的状态转换以及不同状态下行为的封装问题。当系统中某个对象存在多个状态,这些状态之间可以进行转换,而且对象在不同状态下行为不相同时可以使用状态模式。状态模式将一个对象的状态从该对象中分离出来,封装到专门的状态类中,使得对象状态可以灵活变化,对于客户端而言,无须关心对象状态的转换以及对象所处的当前状态,无论对于何种状态的对象,客户端都可以一致处理。
状态模式(State Pattern):允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为,对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象(Objects for States),状态模式是一种对象行为型模式。
在状态模式中引入了抽象状态类和具体状态类,它们是状态模式的核心,其结构如下图所示:


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状态模式结构图

在状态模式结构图中包含如下几个角色:
● Context(环境类):环境类又称为上下文类,它是拥有多种状态的对象。由于环境类的状态存在多样性且在不同状态下对象的行为有所不同,因此将状态独立出去形成单独的状态类。在环境类中维护一个抽象状态类State的实例,这个实例定义当前状态,在具体实现时,它是一个State子类的对象。
● State(抽象状态类):它用于定义一个接口以封装与环境类的一个特定状态相关的行为,在抽象状态类中声明了各种不同状态对应的方法,而在其子类中实现类这些方法,由于不同状态下对象的行为可能不同,因此在不同子类中方法的实现可能存在不同,相同的方法可以写在抽象状态类中。
● ConcreteState(具体状态类):它是抽象状态类的子类,每一个子类实现一个与环境类的一个状态相关的行为,每一个具体状态类对应环境的一个具体状态,不同的具体状态类其行为有所不同。
在状态模式的使用过程中,一个对象的状态之间还可以进行相互转换,通常有两种实现状态转换的方式:
(1) 统一由环境类来负责状态之间的转换,此时,环境类还充当了状态管理器(State Manager)角色,在环境类的业务方法中通过对某些属性值的判断实现状态转换,还可以提供一个专门的方法用于实现属性判断和状态转换。
(2) 由具体状态类来负责状态之间的转换,可以在具体状态类的业务方法中判断环境类的某些属性值再根据情况为环境类设置新的状态对象,实现状态转换,同样,也可以提供一个专门的方法来负责属性值的判断和状态转换。此时,状态类与环境类之间就将存在依赖或关联关系,因为状态类需要访问环境类中的属性值,这时在状态模式结构图中就有一条State指向Context的组合线。

在有些情况下,多个环境对象可能需要共享同一个状态,如果希望在系统中实现多个环境对象共享一个或多个状态对象,那么需要将这些状态对象定义为环境类的静态成员对象。

状态模式总结
状态模式将一个对象在不同状态下的不同行为封装在一个个状态类中,通过设置不同的状态对象可以让环境对象拥有不同的行为,而状态转换的细节对于客户端而言是透明的,方便了客户端的使用。在实际开发中,状态模式具有较高的使用频率,在工作流和游戏开发中状态模式都得到了广泛的应用,例如公文状态的转换、游戏中角色的升级等。

  1. 主要优点
    状态模式的主要优点如下:
    (1) 封装了状态的转换规则,在状态模式中可以将状态的转换代码封装在环境类或者具体状态类中,可以对状态转换代码进行集中管理,而不是分散在一个个业务方法中。
    (2) 将所有与某个状态有关的行为放到一个类中,只需要注入一个不同的状态对象即可使环境对象拥有不同的行为。
    (3) 允许状态转换逻辑与状态对象合成一体,而不是提供一个巨大的条件语句块,状态模式可以让我们避免使用庞大的条件语句来将业务方法和状态转换代码交织在一起。
    (4) 可以让多个环境对象共享一个状态对象,从而减少系统中对象的个数。
  2. 主要缺点
    状态模式的主要缺点如下:
    (1) 状态模式的使用必然会增加系统中类和对象的个数,导致系统运行开销增大。
    (2) 状态模式的结构与实现都较为复杂,如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱,增加系统设计的难度。
    (3) 状态模式对“开闭原则”的支持并不太好,增加新的状态类需要修改那些负责状态转换的源代码,否则无法转换到新增状态;而且修改某个状态类的行为也需修改对应类的源代码。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用状态模式:
    (1) 对象的行为依赖于它的状态(如某些属性值),状态的改变将导致行为的变化。
    (2) 在代码中包含大量与对象状态有关的条件语句,这些条件语句的出现,会导致代码的可维护性和灵活性变差,不能方便地增加和删除状态,并且导致客户类与类库之间的耦合增强。

策略模式-Strategy Pattern

策略模式(Strategy Pattern):定义一系列算法类,将每一个算法封装起来,并让它们可以相互替换,策略模式让算法独立于使用它的客户而变化,也称为政策模式(Policy)。策略模式是一种对象行为型模式。
策略模式的主要目的是将算法的定义与使用分开,也就是将算法的行为和环境分开,将算法的定义放在专门的策略类中,每一个策略类封装了一种实现算法,使用算法的环境类针对抽象策略类进行编程,符合“依赖倒转原则”。在出现新的算法时,只需要增加一个新的实现了抽象策略类的具体策略类即可。策略模式定义如下:
策略模式结构并不复杂,但我们需要理解其中环境类Context的作用,其结构如下图所示:


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策略模式结构图

在策略模式结构图中包含如下几个角色:
● Context(环境类):环境类是使用算法的角色,它在解决某个问题(即实现某个方法)时可以采用多种策略。在环境类中维持一个对抽象策略类的引用实例,用于定义所采用的策略。
● Strategy(抽象策略类):它为所支持的算法声明了抽象方法,是所有策略类的父类,它可以是抽象类或具体类,也可以是接口。环境类通过抽象策略类中声明的方法在运行时调用具体策略类中实现的算法。
● ConcreteStrategy(具体策略类):它实现了在抽象策略类中声明的算法,在运行时,具体策略类将覆盖在环境类中定义的抽象策略类对象,使用一种具体的算法实现某个业务处理。

策略模式总结
策略模式用于算法的自由切换和扩展,它是应用较为广泛的设计模式之一。策略模式对应于解决某一问题的一个算法族,允许用户从该算法族中任选一个算法来解决某一问题,同时可以方便地更换算法或者增加新的算法。只要涉及到算法的封装、复用和切换都可以考虑使用策略模式。

  1. 主要优点
    策略模式的主要优点如下:
    (1) 策略模式提供了对“开闭原则”的完美支持,用户可以在不修改原有系统的基础上选择算法或行为,也可以灵活地增加新的算法或行为。
    (2) 策略模式提供了管理相关的算法族的办法。策略类的等级结构定义了一个算法或行为族,恰当使用继承可以把公共的代码移到抽象策略类中,从而避免重复的代码。
    (3) 策略模式提供了一种可以替换继承关系的办法。如果不使用策略模式,那么使用算法的环境类就可能会有一些子类,每一个子类提供一种不同的算法。但是,这样一来算法的使用就和算法本身混在一起,不符合“单一职责原则”,决定使用哪一种算法的逻辑和该算法本身混合在一起,从而不可能再独立演化;而且使用继承无法实现算法或行为在程序运行时的动态切换。
    (4) 使用策略模式可以避免多重条件选择语句。多重条件选择语句不易维护,它把采取哪一种算法或行为的逻辑与算法或行为本身的实现逻辑混合在一起,将它们全部硬编码(Hard Coding)在一个庞大的多重条件选择语句中,比直接继承环境类的办法还要原始和落后。
    (5) 策略模式提供了一种算法的复用机制,由于将算法单独提取出来封装在策略类中,因此不同的环境类可以方便地复用这些策略类。
  2. 主要缺点
    策略模式的主要缺点如下:
    (1) 客户端必须知道所有的策略类,并自行决定使用哪一个策略类。这就意味着客户端必须理解这些算法的区别,以便适时选择恰当的算法。换言之,策略模式只适用于客户端知道所有的算法或行为的情况。
    (2) 策略模式将造成系统产生很多具体策略类,任何细小的变化都将导致系统要增加一个新的具体策略类。
    (3) 无法同时在客户端使用多个策略类,也就是说,在使用策略模式时,客户端每次只能使用一个策略类,不支持使用一个策略类完成部分功能后再使用另一个策略类来完成剩余功能的情况。
  3. 适用场景
    在以下情况下可以考虑使用策略模式:
    (1) 一个系统需要动态地在几种算法中选择一种,那么可以将这些算法封装到一个个的具体算法类中,而这些具体算法类都是一个抽象算法类的子类。换言之,这些具体算法类均有统一的接口,根据“里氏代换原则”和面向对象的多态性,客户端可以选择使用任何一个具体算法类,并只需要维持一个数据类型是抽象算法类的对象。
    (2) 一个对象有很多的行为,如果不用恰当的模式,这些行为就只好使用多重条件选择语句来实现。此时,使用策略模式,把这些行为转移到相应的具体策略类里面,就可以避免使用难以维护的多重条件选择语句。
    (3) 不希望客户端知道复杂的、与算法相关的数据结构,在具体策略类中封装算法与相关的数据结构,可以提高算法的保密性与安全性。

模板方法模式-Template Method Pattern

模板方法模式:定义一个操作中算法的框架,而将一些步骤延迟到子类中。模板方法模式使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
模板方法模式是一种基于继承的代码复用技术,它是一种类行为型模式。模板方法模式是结构最简单的行为型设计模式,在其结构中只存在父类与子类之间的继承关系。通过使用模板方法模式,可以将一些复杂流程的实现步骤封装在一系列基本方法中,在抽象父类中提供一个称之为模板方法的方法来定义这些基本方法的执行次序,而通过其子类来覆盖某些步骤,从而使得相同的算法框架可以有不同的执行结果。模板方法模式提供了一个模板方法来定义算法框架,而某些具体步骤的实现可以在其子类中完成。
模板方法模式结构比较简单,其核心是抽象类和其中的模板方法的设计,其结构如下图所示:


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模板方法模式结构图

模板方法模式包含如下两个角色:
(1) AbstractClass(抽象类):在抽象类中定义了一系列基本操作(PrimitiveOperations),这些基本操作可以是具体的,也可以是抽象的,每一个基本操作对应算法的一个步骤,在其子类中可以重定义或实现这些步骤。同时,在抽象类中实现了一个模板方法(Template Method),用于定义一个算法的框架,模板方法不仅可以调用在抽象类中实现的基本方法,也可以调用在抽象类的子类中实现的基本方法,还可以调用其他对象中的方法。
(2) ConcreteClass(具体子类):它是抽象类的子类,用于实现在父类中声明的抽象基本操作以完成子类特定算法的步骤,也可以覆盖在父类中已经实现的具体基本操作。

在实现模板方法模式时,开发抽象类的软件设计师和开发具体子类的软件设计师之间可以进行协作。一个设计师负责给出一个算法的轮廓和框架,另一些设计师则负责给出这个算法的各个逻辑步骤。实现这些具体逻辑步骤的方法即为基本方法,而将这些基本方法汇总起来的方法即为模板方法,模板方法模式的名字也因此而来。下面将详细介绍模板方法和基本方法:

  1. 模板方法
    一个模板方法是定义在抽象类中的、把基本操作方法组合在一起形成一个总算法或一个总行为的方法。这个模板方法定义在抽象类中,并由子类不加以修改地完全继承下来。模板方法是一个具体方法,它给出了一个顶层逻辑框架,而逻辑的组成步骤在抽象类中可以是具体方法,也可以是抽象方法。由于模板方法是具体方法,因此模板方法模式中的抽象层只能是抽象类,而不是接口。
  2. 基本方法
    基本方法是实现算法各个步骤的方法,是模板方法的组成部分。基本方法又可以分为三种:抽象方法(Abstract Method)、具体方法(Concrete Method)和钩子方法(Hook Method)。
  • 抽象方法:一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。在C#语言里一个抽象方法以abstract关键字标识。
  • 具体方法:一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现,其子类可以进行覆盖也可以直接继承。
  • 钩子方法:一个钩子方法由一个抽象类或具体类声明并实现,而其子类可能会加以扩展。模板方法模式中,在父类中提供了一个定义算法框架的模板方法,还提供了一系列抽象方法、具体方法和钩子方法,其中钩子方法的引入使得子类可以控制父类的行为。钩子方法有两类:第一类钩子方法可以与一些具体步骤“挂钩”,以实现在不同条件下执行模板方法中的不同步骤,这类钩子方法的返回类型通常是bool类型的,这类方法名一般为IsXXX(),用于对某个条件进行判断,如果条件满足则执行某一步骤,否则将不执行;还有一类钩子方法就是实现体为空的具体方法,子类可以根据需要覆盖或者继承这些钩子方法,与抽象方法相比,这类钩子方法的好处在于子类如果没有覆盖父类中定义的钩子方法,编译可以正常通过,但是如果没有覆盖父类中声明的抽象方法,编译将报错。

在模板方法模式中,由于面向对象的多态性,子类对象在运行时将覆盖父类对象,子类中定义的方法也将覆盖父类中定义的方法,因此程序在运行时,具体子类的基本方法将覆盖父类中定义的基本方法,子类的钩子方法也将覆盖父类的钩子方法,从而可以通过在子类中实现的钩子方法对父类方法的执行进行约束,实现子类对父类行为的反向控制。

模板方法模式总结
模板方法模式是基于继承的代码复用技术,它体现了面向对象的诸多重要思想,是一种使用较为频繁的模式。模板方法模式广泛应用于框架设计中,以确保通过父类来控制处理流程的逻辑顺序(如框架的初始化,测试流程的设置等)。
1.优点
模板方法模式的主要优点如下:
(1) 在父类中形式化地定义一个算法,而由它的子类来实现细节的处理,在子类实现详细的处理算法时并不会改变算法中步骤的执行次序。
(2) 模板方法模式是一种代码复用技术,它在类库设计中尤为重要,它提取了类库中的公共行为,将公共行为放在父类中,而通过其子类来实现不同的行为,它鼓励我们恰当使用继承来实现代码复用。
(3) 可实现一种反向控制结构,通过子类覆盖父类的钩子方法来决定某一特定步骤是否需要执行。
(4) 在模板方法模式中可以通过子类来覆盖父类的基本方法,不同的子类可以提供基本方法的不同实现,更换和增加新的子类很方便,符合单一职责原则和开闭原则。
2.模式缺点
模板方法模式的主要缺点如下:
需要为每一个基本方法的不同实现提供一个子类,如果父类中可变的基本方法太多,将会导致类的个数增加,系统更加庞大,设计也更加抽象,此时,可结合桥接模式来进行设计。

  1. 模式适用场景
    在以下情况下可以考虑使用模板方法模式:
    (1) 对一些复杂的算法进行分割,将其算法中固定不变的部分设计为模板方法和父类具体方法,而一些可以改变的细节由其子类来实现。即:一次性实现一个算法的不变部分,并将可变的行为留给子类来实现。
    (2) 各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。
    (3) 需要通过子类来决定父类算法中某个步骤是否执行,实现子类对父类的反向控制。

访问者模式-Visitor Pattern

如何为同一集合对象中的元素提供多种不同的操作方式?访问者模式就是一个值得考虑的解决方案,它可以在一定程度上解决上述问题(解决大部分问题)。访问者模式可以为为不同类型的元素提供多种访问操作方式,而且可以在不修改原有系统的情况下增加新的操作方式。
访问者模式是一种较为复杂的行为型设计模式,它包含访问者和被访问元素两个主要组成部分,这些被访问的元素通常具有不同的类型,且不同的访问者可以对它们进行不同的访问操作。例如处方单中的各种药品信息就是被访问的元素,而划价人员和药房工作人员就是访问者。访问者模式使得用户可以在不修改现有系统的情况下扩展系统的功能,为这些不同类型的元素增加新的操作。
在使用访问者模式时,被访问元素通常不是单独存在的,它们存储在一个集合中,这个集合被称为“对象结构”,访问者通过遍历对象结构实现对其中存储的元素的逐个操作。
访问者模式的结构较为复杂,其结构如下图所示:


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访问者模式的结构图

在访问者模式结构图中包含如下几个角色:
●Vistor(抽象访问者):抽象访问者为对象结构中每一个具体元素类ConcreteElement声明一个访问操作,从这个操作的名称或参数类型可以清楚知道需要访问的具体元素的类型,具体访问者需要实现这些操作方法,定义对这些元素的访问操作。
●ConcreteVisitor(具体访问者):具体访问者实现了每个由抽象访问者声明的操作,每一个操作用于访问对象结构中一种类型的元素。
●Element(抽象元素):抽象元素一般是抽象类或者接口,它定义一个accept()方法,该方法通常以一个抽象访问者作为参数。【稍后将介绍为什么要这样设计。】
●ConcreteElement(具体元素):具体元素实现了accept()方法,在accept()方法中调用访问者的访问方法以便完成对一个元素的操作。
● ObjectStructure(对象结构):对象结构是一个元素的集合,它用于存放元素对象,并且提供了遍历其内部元素的方法。它可以结合组合模式来实现,也可以是一个简单的集合对象,如一个List对象或一个Set对象。

访问者模式中对象结构存储了不同类型的元素对象,以供不同访问者访问。访问者模式包括两个层次结构,一个是访问者层次结构,提供了抽象访问者和具体访问者,一个是元素层次结构,提供了抽象元素和具体元素。相同的访问者可以以不同的方式访问不同的元素,相同的元素可以接受不同访问者以不同访问方式访问。在访问者模式中,增加新的访问者无须修改原有系统,系统具有较好的可扩展性。
在访问者模式中,抽象访问者定义了访问元素对象的方法,通常为每一种类型的元素对象都提供一个访问方法,而具体访问者可以实现这些访问方法。这些访问方法的命名一般有两种方式:一种是直接在方法名中标明待访问元素对象的具体类型,如visitElementA(ElementA elementA),还有一种是统一取名为visit(),通过参数类型的不同来定义一系列重载的visit()方法。当然,如果所有的访问者对某一类型的元素的访问操作都相同,则可以将操作代码移到抽象访问者类中。

通过调用Visitor类的visit()方法实现对元素的访问,并以当前对象作为visit()方法的参数。其具体执行过程如下:
(1) 调用具体元素类的accept(Visitor visitor)方法,并将Visitor子类对象作为其参数;
(2) 在具体元素类accept(Visitor visitor)方法内部调用传入的Visitor对象的visit()方法,如visit(ConcreteElementA elementA),将当前具体元素类对象(this)作为参数,如visitor.visit(this);
(3) 执行Visitor对象的visit()方法,在其中还可以调用具体元素对象的业务方法。

这种调用机制也称为“双重分派”,正因为使用了双重分派机制,使得增加新的访问者无须修改现有类库代码,只需将新的访问者对象作为参数传入具体元素对象的accept()方法,程序运行时将回调在新增Visitor类中定义的visit()方法,从而增加新的元素访问方式。

访问者模式与组合模式联用
在访问者模式中,包含一个用于存储元素对象集合的对象结构,我们通常可以使用迭代器来遍历对象结构,同时具体元素之间可以存在整体与部分关系,有些元素作为容器对象,有些元素作为成员对象,可以使用组合模式来组织元素。引入组合模式后的访问者模式结构图如下图所示:

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引入组合模式后的访问者模式结构图

由于叶子元素的遍历操作已经在容器元素中完成,因此要防止单独将已增加到容器元素中的叶子元素再次加入对象结构中,对象结构中只保存容器元素和孤立的叶子元素。

访问者模式总结
由于访问者模式的使用条件较为苛刻,本身结构也较为复杂,因此在实际应用中使用频率不是特别高。当系统中存在一个较为复杂的对象结构,且不同访问者对其所采取的操作也不相同时,可以考虑使用访问者模式进行设计。在XML文档解析、编译器的设计、复杂集合对象的处理等领域访问者模式得到了一定的应用。
1.主要优点
访问者模式的主要优点如下:
(1) 增加新的访问操作很方便。使用访问者模式,增加新的访问操作就意味着增加一个新的具体访问者类,实现简单,无须修改源代码,符合“开闭原则”。
(2) 将有关元素对象的访问行为集中到一个访问者对象中,而不是分散在一个个的元素类中。类的职责更加清晰,有利于对象结构中元素对象的复用,相同的对象结构可以供多个不同的访问者访问。
(3) 让用户能够在不修改现有元素类层次结构的情况下,定义作用于该层次结构的操作。
2.主要缺点
访问者模式的主要缺点如下:
(1) 增加新的元素类很困难。在访问者模式中,每增加一个新的元素类都意味着要在抽象访问者角色中增加一个新的抽象操作,并在每一个具体访问者类中增加相应的具体操作,这违背了“开闭原则”的要求。
(2) 破坏封装。访问者模式要求访问者对象访问并调用每一个元素对象的操作,这意味着元素对象有时候必须暴露一些自己的内部操作和内部状态,否则无法供访问者访问。
3.适用场景
在以下情况下可以考虑使用访问者模式:
(1) 一个对象结构包含多个类型的对象,希望对这些对象实施一些依赖其具体类型的操作。在访问者中针对每一种具体的类型都提供了一个访问操作,不同类型的对象可以有不同的访问操作。
(2) 需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作,而需要避免让这些操作“污染”这些对象的类,也不希望在增加新操作时修改这些类。访问者模式使得我们可以将相关的访问操作集中起来定义在访问者类中,对象结构可以被多个不同的访问者类所使用,将对象本身与对象的访问操作分离。
(3) 对象结构中对象对应的类很少改变,但经常需要在此对象结构上定义新的操作。

参考

https://www.jianshu.com/p/73898ff0fcde

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