设计模式之行为型

设计模式概述

基于设计原则,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

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:


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:


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:

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:


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:

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:

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:


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:

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:


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:


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:


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:


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:


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:


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:


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:

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