【再探】设计模式—访问者模式、策略模式及状态模式

 访问者模式是用于访问复杂数据结构的元素，对不同的元素执行不同的操作。策略模式是对于具有多种实现的算法，在运行过程中可动态选择使用哪种具体的实现。状态模式是用于具有不同状态的对象，状态之间可以转换，且不同状态下对象的行为不同，客户端可以不必考虑其状态及转换，对所有的状态都可以执行同一的操作。

1 访问者模式

需求：需要对一个复杂数据结构进行操作，根据其不同的元素类型执行不同的操作。

1.1 访问者模式介绍

将数据结构与数据操作分离，通过定义一个访问者对象，来实现对数据结构中各个元素的访问和处理，从而达到解耦和灵活操作的目的。

图 访问者模式 UML

1.1.1 双分派

Java 是一种支持双分派的单分派语言。

单分派	调用哪个对象（多态）的方法，在运行期确定，调用对象的哪个方法，在编译期确定。
双分派	调用哪个对象（多态）的方法，在运行期确定，调用对象的哪个方法，在运行期确定。

图 单分派与双分派

访问者模式中的元素对象中的accept方法就是双分派。

public class VisitorPattern {public static void main(String[] args) {Element[] elements = {new MobilePhone(),new Ipad(),new Computer()};Visitor[] visitors = {new Student(),new Programmer()};for (Visitor visitor : visitors) {for (Element element : elements) {element.accept(visitor);}}}private interface Element {void accept(Visitor visitor);}private static class MobilePhone implements Element{@Overridepublic void accept(Visitor visitor) {visitor.visit(this);}public void makeCall() {System.out.println("打电话");}public void wechat() {System.out.println("微信聊天");}public void playGame() {System.out.println("玩王者荣耀");}}private static class Ipad implements Element {@Overridepublic void accept(Visitor visitor) {visitor.visit(this);}public void watchTv() {System.out.println("刷剧");}public void playGame() {System.out.println("玩王者荣耀,大屏更爽");}}private static class Computer implements Element {@Overridepublic void accept(Visitor visitor) {visitor.visit(this);}public void playGame() {System.out.println("玩电脑游戏：使命召唤");}public void work() {System.out.println("用于工作");}}private interface Visitor {void visit(MobilePhone mobilePhone);void visit(Ipad ipad);void visit(Computer computer);}private static class Programmer implements Visitor {@Overridepublic void visit(MobilePhone mobilePhone) {mobilePhone.makeCall();}@Overridepublic void visit(Ipad ipad) {ipad.playGame();}@Overridepublic void visit(Computer computer) {computer.work();}}private static class Student implements Visitor {@Overridepublic void visit(MobilePhone mobilePhone) {mobilePhone.wechat();}@Overridepublic void visit(Ipad ipad) {ipad.watchTv();}@Overridepublic void visit(Computer computer) {computer.playGame();}}}

1.2 优缺点

优点：

1. 将数据结构与数据操作分离，当需要添加新的操作时，只添加新的子类即可，符合开闭原则。
2. 将对元素的操作集中到一个类中，而不是分散在元素的子类中，使得职责更加明确，代码更加清晰，符合单一职责原则。

缺点：

1. 不适合结构不稳定的数据结构，当新增或删除元素时，需要修改访问者类，不符合开闭原则。
2. 如果访问者需要访问元素的内部信息，可能会破坏封装性。

2 策略模式

需求：一个算法有多种实现方式，或一个对象有很多的行为，这些行为需要使用多重条件选择语句来实现。期望把这些行为转移到具体的策略类中，避免使用难以维护的多重语句。

2.1 策略模式介绍

定义一个算法接口，然后将其不同的实现封装到具体的策略类中，并让它们可以相互替换。

图 策略模式 UML

public class StrategyPattern {public static void main(String[] args) {SortAlgorithm[] sortAlgorithms = {new BubbleSortAlgorithm(),new SelectionSortAlgorithm()};Integer[][] array = {{34,23,2,4,6,44,11,53,221,123},{3,66,27,212,45,565,11,44,33,12,465,55,22,14,56}};for (SortAlgorithm sortAlgorithm : sortAlgorithms) {for (Integer[] arr : array) {sortAlgorithm.sort(arr);}System.out.println();}}private static abstract class SortAlgorithm {public void sort(Integer[] array) { // 升序if (array != null && array.length > 1) {array = Arrays.copyOf(array,array.length);opera(array);System.out.println(Arrays.asList(array));}}protected abstract void opera(Integer[] array);}/*** 冒泡排序*/private static class BubbleSortAlgorithm extends SortAlgorithm{@Overrideprotected void opera(Integer[] array) {for (int i = 0; i < array.length; i++) {for (int j = i + 1; j < array.length; j++) {if (array[i] > array[j]) {int temp = array[j];array[j] = array[i];array[i] = temp;}}}}}/*** 选择排序*/private static class SelectionSortAlgorithm extends SortAlgorithm {@Overrideprotected void opera(Integer[] array) {for (int i = 0; i < array.length; i++) {int minPos = i;for (int j = i+1; j <array.length; j++) {if (array[minPos] > array[j]) {minPos = j;}}int temp = array[i];array[i] = array[minPos];array[minPos] = temp;}}}}

2.2 优缺点

优点：

1. 符合开闭原则，增加新的算法或行为时只需要添加子类即可。
2. 避免了多重条件选择语句。

缺点：

1. 客户端必须知道所有的策略类，并自行决定使用哪个策略类。
2. 会增加类的数量。

3 状态模式

需求：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，且对象在不同状态下的行为不同。

3.1 状态模式介绍

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。对于客户端而言，无须关心对象的状态及转换，无论对象处于哪种状态，客户端都可以一致性地处理。

图 状态模式 UML

public class StatePattern {public static void main(String[] args) {BackCard backCard = new BackCard();backCard.save(100);backCard.withdraw(1000);backCard.withdraw(600);backCard.withdraw(400);backCard.withdraw(100);}private static class BackCard {private final static State[] stateList = {new NormalState(),new Overdraft(),new LimitState()};private State state = stateList[0];private double balance = 0;public double getBalance() {return balance;}public void setBalance(double balance) {this.balance = balance;}public void save(double money) {System.out.println("存钱操作:" + money);this.balance += money;changeState();}public void withdraw(double money) {System.out.println("取钱操作:" + money);try {state.withdraw(this,money);} catch (RuntimeException e) {System.out.println("取钱失败:" + e.getMessage());}changeState();}private void changeState() {System.out.println("-----余额：" + balance + "-----");if (balance >= 0) state = stateList[0];else if (balance >= -1000) state = stateList[1];else state = stateList[2];}}private interface State {void withdraw(BackCard backCard,double money);}private static class NormalState implements State {@Overridepublic void withdraw(BackCard backCard,double money) {backCard.setBalance(backCard.getBalance() - money);}}private static class Overdraft implements State {@Overridepublic void withdraw(BackCard backCard,double money) {if (money > 500) {throw new RuntimeException("卡被透支，取钱不能超过500元");}backCard.setBalance(backCard.getBalance() - money);}}private static class LimitState implements State {@Overridepublic void withdraw(BackCard backCard,double money) {throw new RuntimeException("卡被限制，不能取钱");}}}

3.2 优缺点

优点：

1. 客户端可以不必关心对象的状态及转换，对所有状态都可进行同一操作。
2. 将与具体状态相关的行为都封装在一个类中，符合单一职责原则，更容易扩展及维护。

缺点：

1. 状态转换无论是在环境类还是状态类中，当增加新的状态或修改转换逻辑时，都需要修改转换代码，不符合开闭原则。
2. 增加了类的个数。