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一、组合模式
组合模式的定义与特点
1 组合(Composite)模式的定义:有时又叫作部分-整体模式,它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式,用来表示“部分-整体”的关系,使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。
组合模式的主要优点有:组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象,无须关心自己处理的是单个对象,还是组合对象,这简化了客户端代码;
2 更容易在组合体内加入新的对象,客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码,满足“开闭原则”;
3 其主要缺点是:设计较复杂,客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系;
4 不容易限制容器中的构件;
5 不容易用继承的方法来增加构件的新功能;
组合模式的结构与实现
组合模式的结构不是很复杂,下面对它的结构和实现进行分析。
1. 模式的结构
6 组合模式包含以下主要角色。抽象构件(Component)角色:它的主要作用是为树叶构件和树枝构件声明公共接口,并实现它们的默认行为。在透明式的组合模式中抽象构件还声明访问和管理子类的接口;在安全式的组合模式中不声明访问和管理子类的接口,管理工作由树枝构件完成。
7 树叶构件(Leaf)角色:是组合中的叶节点对象,它没有子节点,用于实现抽象构件角色中 声明的公共接口。
8 树枝构件(Composite)角色:是组合中的分支节点对象,它有子节点。它实现了抽象构件角色中声明的接口,它的主要作用是存储和管理子部件,通常包含 Add()、Remove()、GetChild() 等方法。
组合模式分为透明式的组合模式和安全式的组合模式。
(1) 透明方式:在该方式中,由于抽象构件声明了所有子类中的全部方法,所以客户端无须区别树叶对象和树枝对象,对客户端来说是透明的。但其缺点是:树叶构件本来没有 Add()、Remove() 及 GetChild() 方法,却要实现它们(空实现或抛异常),这样会带来一些安全性问题。其结构图如图 1 所示。
(2) 安全方式:在该方式中,将管理子构件的方法移到树枝构件中,抽象构件和树叶构件没有对子对象的管理方法,这样就避免了上一种方式的安全性问题,但由于叶子和分支有不同的接口,客户端在调用时要知道树叶对象和树枝对象的存在,所以失去了透明性。其结构图如图 2 所示。
2. 模式的实现
假如要访问集合 c0={leaf1,{leaf2,leaf3}} 中的元素,其对应的树状图如图 3 所示。
组合模式的应用实例
【例1】用组合模式实现当用户在商店购物后,显示其所选商品信息,并计算所选商品总价的功能。
说明:假如李先生到韶关“天街e角”生活用品店购物,用 1 个红色小袋子装了 2 包婺源特产(单价 7.9 元)、1 张婺源地图(单价 9.9 元);用 1 个白色小袋子装了 2 包韶关香藉(单价 68 元)和 3 包韶关红茶(单价 180 元);用 1 个中袋子装了前面的红色小袋子和 1 个景德镇瓷器(单价 380 元);用 1 个大袋子装了前面的中袋子、白色小袋子和 1 双李宁牌运动鞋(单价 198 元)。
最后“大袋子”中的内容有:{1 双李宁牌运动鞋(单价 198 元)、白色小袋子{2 包韶关香菇(单价 68 元)、3 包韶关红茶(单价 180 元)}、中袋子{1 个景德镇瓷器(单价 380 元)、红色小袋子{2 包婺源特产(单价 7.9 元)、1 张婺源地图(单价 9.9 元)}}},现在要求编程显示李先生放在大袋子中的所有商品信息并计算要支付的总价。
本实例可按安全组合模式设计,其结构图如图 4 所示。
组合模式的应用场景
1 前面分析了组合模式的结构与特点,下面分析它适用的以下应用场景。在需要表示一个对象整体与部分的层次结构的场合。
2 要求对用户隐藏组合对象与单个对象的不同,用户可以用统一的接口使用组合结构中的所有对象的场合。
组合模式的扩展
如果对前面介绍的组合模式中的树叶节点和树枝节点进行抽象,也就是说树叶节点和树枝节点还有子节点,这时组合模式就扩展成复杂的组合模式了,如 Java AWT/Swing 中的简单组件 JTextComponent 有子类 JTextField、JTextArea,容器组件 Container 也有子类 Window、Panel。复杂的组合模式的结构图如图 5 所示。
二、模板模式
模式的定义与特点
1 模板方法(Template Method)模式的定义如下:定义一个操作中的算法骨架,而将算法的一些步骤延迟到子类中,使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。它是一种类行为型模式。
该模式的主要优点如下。它封装了不变部分,扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现,而把可变部分算法由子类继承实现,便于子类继续扩展。
2 它在父类中提取了公共的部分代码,便于代码复用。
3 部分方法是由子类实现的,因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能,符合开闭原则。
4 该模式的主要缺点如下。对每个不同的实现都需要定义一个子类,这会导致类的个数增加,系统更加庞大,设计也更加抽象。
5 父类中的抽象方法由子类实现,子类执行的结果会影响父类的结果,这导致一种反向的控制结构,它提高了代码阅读的难度。
模式的结构与实现
模板方法模式需要注意抽象类与具体子类之间的协作。它用到了虚函数的多态性技术以及“不用调用我,让我来调用你”的反向控制技术。现在来介绍它们的基本结构。
1. 模式的结构
· 模板方法模式包含以下主要角色。
(1) 抽象类(Abstract Class):负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。这些方法的定义如下。
① 模板方法:定义了算法的骨架,按某种顺序调用其包含的基本方法。
② 基本方法:是整个算法中的一个步骤,包含以下几种类型。抽象方法:在抽象类中申明,由具体子类实现。
具体方法:在抽象类中已经实现,在具体子类中可以继承或重写它。
钩子方法:在抽象类中已经实现,包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。
(2) 具体子类(Concrete Class):实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法,它们是一个顶级逻辑的一个组成步骤。
模板方法模式的结构图如图 1 所示。
模式的应用实例
【例1】用模板方法模式实现出国留学手续设计程序。
分析:出国留学手续一般经过以下流程:索取学校资料,提出入学申请,办理因私出国护照、出境卡和公证,申请签证,体检、订机票、准备行装,抵达目标学校等,其中有些业务对各个学校是一样的,但有些业务因学校不同而不同,所以比较适合用模板方法模式来实现。
在本实例中,我们先定义一个出国留学的抽象类 StudyAbroad,里面包含了一个模板方法 TemplateMethod(),该方法中包含了办理出国留学手续流程中的各个基本方法,其中有些方法的处理由于各国都一样,所以在抽象类中就可以实现,但有些方法的处理各国是不同的,必须在其具体子类(如留学类 StudyInAmerica)中实现。如果再增加一个国家,只要增加一个子类就可以了,图 2 所示是其结构图。
模式的应用场景
1 模板方法模式通常适用于以下场景。算法的整体步骤很固定,但其中个别部分易变时,这时候可以使用模板方法模式,将容易变的部分抽象出来,供子类实现。
2 当多个子类存在公共的行为时,可以将其提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。首先,要识别现有代码中的不同之处,并且将不同之处分离为新的操作。最后,用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码。
3 当需要控制子类的扩展时,模板方法只在特定点调用钩子操作,这样就只允许在这些点进行扩展。
模式的扩展
在模板方法模式中,基本方法包含:抽象方法、具体方法和钩子方法,正确使用“钩子方法”可以使得子类控制父类的行为。如下面例子中,可以通过在具体子类中重写钩子方法 HookMethod1() 和 HookMethod2() 来改变抽象父类中的运行结果,其结构图如图 3 所示。
三、策略模式
策略模式的定义与特点
1 策略(Strategy)模式的定义:该模式定义了一系列算法,并将每个算法封装起来,使它们可以相互替换,且算法的变化不会影响使用算法的客户。策略模式属于对象行为模式,它通过对算法进行封装,把使用算法的责任和算法的实现分割开来,并委派给不同的对象对这些算法进行管理。
策略模式的主要优点如下。多重条件语句不易维护,而使用策略模式可以避免使用多重条件语句。
2 策略模式提供了一系列的可供重用的算法族,恰当使用继承可以把算法族的公共代码转移到父类里面,从而避免重复的代码。
3 策略模式可以提供相同行为的不同实现,客户可以根据不同时间或空间要求选择不同的。
4 策略模式提供了对开闭原则的完美支持,可以在不修改原代码的情况下,灵活增加新算法。
5 策略模式把算法的使用放到环境类中,而算法的实现移到具体策略类中,实现了二者的分离。
6 其主要缺点如下。客户端必须理解所有策略算法的区别,以便适时选择恰当的算法类。
7 策略模式造成很多的策略类。
策略模式的结构与实现
策略模式是准备一组算法,并将这组算法封装到一系列的策略类里面,作为一个抽象策略类的子类。策略模式的重心不是如何实现算法,而是如何组织这些算法,从而让程序结构更加灵活,具有更好的维护性和扩展性,现在我们来分析其基本结构和实现方法。
1. 模式的结构
8 策略模式的主要角色如下。抽象策略(Strategy)类:定义了一个公共接口,各种不同的算法以不同的方式实现这个接口,环境角色使用这个接口调用不同的算法,一般使用接口或抽象类实现。
9 具体策略(Concrete Strategy)类:实现了抽象策略定义的接口,提供具体的算法实现。
10 环境(Context)类:持有一个策略类的引用,最终给客户端调用。
其结构图如图 1 所示。
策略模式的应用实例
【例1】策略模式在“大闸蟹”做菜中的应用。
分析:关于大闸蟹的做法有很多种,我们以清蒸大闸蟹和红烧大闸蟹两种方法为例,介绍策略模式的应用。
首先,定义一个大闸蟹加工的抽象策略类(CrabCooking),里面包含了一个做菜的抽象方法 CookingMethod();然后,定义清蒸大闸蟹(SteamedCrabs)和红烧大闸蟹(BraisedCrabs)的具体策略类,它们实现了抽象策略类中的抽象方法;由于本程序要显示做好的结果图,所以将具体策略类定义成 JLabel 的子类;最后,定义一个厨房(Kitchen)环境类,它具有设置和选择做菜策略的方法;客户类通过厨房类获取做菜策略,并把做菜结果图在窗体中显示出来,图 2 所示是其结构图。
【例2】用策略模式实现从韶关去婺源旅游的出行方式。
分析:从韶关去婺源旅游有以下几种出行方式:坐火车、坐汽车和自驾车,所以该实例用策略模式比较适合,图 4 所示是其结构图。
策略模式的应用场景
1 策略模式在很多地方用到,如 Java SE 中的容器布局管理就是一个典型的实例,Java SE 中的每个容器都存在多种布局供用户选择。在程序设计中,通常在以下几种情况中使用策略模式较多。一个系统需要动态地在几种算法中选择一种时,可将每个算法封装到策略类中。
2 一个类定义了多种行为,并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现,可将每个条件分支移入它们各自的策略类中以代替这些条件语句。
3 系统中各算法彼此完全独立,且要求对客户隐藏具体算法的实现细节时。
4 系统要求使用算法的客户不应该知道其操作的数据时,可使用策略模式来隐藏与算法相关的数据结构。
5 多个类只区别在表现行为不同,可以使用策略模式,在运行时动态选择具体要执行的行为。
策略模式的扩展
在一个使用策略模式的系统中,当存在的策略很多时,客户端管理所有策略算法将变得很复杂,如果在环境类中使用策略工厂模式来管理这些策略类将大大减少客户端的工作复杂度,其结构图如图 5 所示。
四、命令模式
命令模式的定义与特点
1 命令(Command)模式的定义如下:将一个请求封装为一个对象,使发出请求的责任和执行请求的责任分割开。这样两者之间通过命令对象进行沟通,这样方便将命令对象进行储存、传递、调用、增加与管理。
命令模式的主要优点如下。降低系统的耦合度。命令模式能将调用操作的对象与实现该操作的对象解耦。
2 增加或删除命令非常方便。采用命令模式增加与删除命令不会影响其他类,它满足“开闭原则”,对扩展比较灵活。
3 可以实现宏命令。命令模式可以与组合模式结合,将多个命令装配成一个组合命令,即宏命令。
4 方便实现 Undo 和 Redo 操作。命令模式可以与后面介绍的备忘录模式结合,实现命令的撤销与恢复。
其缺点是:可能产生大量具体命令类。因为计对每一个具体操作都需要设计一个具体命令类,这将增加系统的复杂性。
命令模式的结构与实现
可以将系统中的相关操作抽象成命令,使调用者与实现者相关分离,其结构如下。
1. 模式的结构
5 命令模式包含以下主要角色。抽象命令类(Command)角色:声明执行命令的接口,拥有执行命令的抽象方法 execute()。
6 具体命令角色(Concrete Command)角色:是抽象命令类的具体实现类,它拥有接收者对象,并通过调用接收者的功能来完成命令要执行的操作。
7 实现者/接收者(Receiver)角色:执行命令功能的相关操作,是具体命令对象业务的真正实现者。
8 调用者/请求者(Invoker)角色:是请求的发送者,它通常拥有很多的命令对象,并通过访问命令对象来执行相关请求,它不直接访问接收者。
其结构图如图 1 所示。
命令模式的应用实例
【例1】用命令模式实现客户去餐馆吃早餐的实例。
分析:客户去餐馆可选择的早餐有肠粉、河粉和馄饨等,客户可向服务员选择以上早餐中的若干种,服务员将客户的请求交给相关的厨师去做。这里的点早餐相当于“命令”,服务员相当于“调用者”,厨师相当于“接收者”,所以用命令模式实现比较合适。
首先,定义一个早餐类(Breakfast),它是抽象命令类,有抽象方法 cooking(),说明要做什么;再定义其子类肠粉类(ChangFen)、馄饨类(HunTun)和河粉类(HeFen),它们是具体命令类,实现早餐类的 cooking() 方法,但它们不会具体做,而是交给具体的厨师去做;具体厨师类有肠粉厨师(ChangFenChef)、馄蚀厨师(HunTunChef)和河粉厨师(HeFenChef),他们是命令的接收者,由于本实例要显示厨师做菜的效果图,所以把每个厨师类定义为 JFrame 的子类;最后,定义服务员类(Waiter),它接收客户的做菜请求,并发出做菜的命令。客户类是通过服务员类来点菜的,图 2 所示是其结构图。
命令模式的应用场景
1 命令模式通常适用于以下场景。当系统需要将请求调用者与请求接收者解耦时,命令模式使得调用者和接收者不直接交互。
2 当系统需要随机请求命令或经常增加或删除命令时,命令模式比较方便实现这些功能。
3 当系统需要执行一组操作时,命令模式可以定义宏命令来实现该功能。
4 当系统需要支持命令的撤销(Undo)操作和恢复(Redo)操作时,可以将命令对象存储起来,采用备忘录模式来实现。
命令模式的扩展
在软件开发中,有时将命令模式与前面学的组合模式联合使用,这就构成了宏命令模式,也叫组合命令模式。宏命令包含了一组命令,它充当了具体命令与调用者的双重角色,执行它时将递归调用它所包含的所有命令,其具体结构图如图 3 所示。
下一篇继续讲述其他设计模式的原理和具体应用,持续分享设计模式的那些事。
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