Java 设计模式之策略模式 (Strategy Pattern) 详解

Java 设计模式之策略模式 (Strategy Pattern) 详解

策略模式（Strategy Pattern）是一种行为型设计模式，旨在定义一系列算法，将每个算法封装起来，并使它们可以互相替换，从而使得算法的变化不会影响使用算法的客户端。策略模式的主要结构包括策略接口、具体策略类和上下文类，通过将算法的选择与使用分离，实现了代码的可维护性和灵活性。

更多设计模式请参考：Java 中的 23 种设计模式详解

1. 策略模式的动机

在软件开发中，经常遇到需要在运行时动态选择一种算法的情况。例如，排序算法、支付方式、文件压缩等场景都可能需要在不同条件下选择不同的算法实现。如果在客户端代码中硬编码这些算法的选择逻辑，会导致代码难以维护和扩展。策略模式通过将算法的选择和实现分离，使得算法可以独立变化，客户端代码可以更简洁和灵活。

2. 策略模式的结构

策略模式包含以下几部分：

• 策略接口（Strategy Interface）：定义所有支持的算法的公共接口。
• 具体策略类（Concrete Strategies）：实现策略接口，定义具体的算法。
• 上下文类（Context Class）：使用一个具体策略对象来配置，并维护对策略对象的引用。

3. 策略模式的UML类图

4. 策略模式的实现

以下是一个使用策略模式的Java示例，该示例演示了如何选择不同的策略来执行操作：

4.1 策略接口

// 定义策略接口
public interface Strategy {void execute();
}

4.2 具体策略类

// 具体策略A
public class ConcreteStrategyA implements Strategy {@Overridepublic void execute() {System.out.println("执行策略A");}
}// 具体策略B
public class ConcreteStrategyB implements Strategy {@Overridepublic void execute() {System.out.println("执行策略B");}
}

4.3 上下文类

// 上下文类
public class Context {private Strategy strategy;// 设置策略public void setStrategy(Strategy strategy) {this.strategy = strategy;}// 执行策略public void executeStrategy() {if (strategy == null) {throw new IllegalStateException("Strategy未设置");}strategy.execute();}
}

4.4 客户端代码

public class StrategyPatternDemo {public static void main(String[] args) {Context context = new Context();// 使用策略Acontext.setStrategy(new ConcreteStrategyA());context.executeStrategy(); // 输出: 执行策略A// 使用策略Bcontext.setStrategy(new ConcreteStrategyB());context.executeStrategy(); // 输出: 执行策略B}
}

5. 策略模式的优缺点

优点

1. 算法可以自由切换：可以在不影响客户端的情况下更改算法。
2. 避免多重条件判断：使用策略模式可以避免过多的if-else或switch-case语句。
3. 扩展性好：增加新的策略时只需添加新的策略类即可，不需要修改现有代码。

缺点

1. 客户端必须知道所有的策略类：客户端需要了解每个策略类的具体实现，这增加了复杂度。
2. 增加对象数目：如果策略较多，会增加类的数量，导致系统变得复杂。

6. 策略模式的应用场景

策略模式适用于以下场景：

• 需要在不同情况下使用不同的算法。
• 有许多相关类仅仅在行为上有所不同。
• 需要避免使用复杂的条件语句来选择不同的行为。

7. 策略模式的变体

策略模式可以与其他设计模式结合使用，以增强其功能。例如：

• 组合模式（Composite Pattern）：可以将策略模式与组合模式结合，使得策略的选择更加灵活。
• 工厂模式（Factory Pattern）：可以使用工厂模式来创建策略对象，从而实现策略的动态选择。

8. 策略模式与其他设计模式的比较

• 策略模式 vs. 状态模式：两者结构类似，但策略模式的不同策略是彼此独立的，而状态模式的不同状态之间存在一定的关系。
• 策略模式 vs. 命令模式：命令模式用于封装请求，将请求与执行解耦，而策略模式用于封装算法，将算法与使用算法的代码解耦。

9. 策略模式的实现细节与最佳实践

9.1 延迟初始化策略

在某些情况下，策略的初始化可能比较耗时，可以使用延迟初始化（Lazy Initialization）来提高性能：

public class Context {private Strategy strategy;public void setStrategy(Strategy strategy) {this.strategy = strategy;}public void executeStrategy() {if (strategy == null) {// 延迟初始化strategy = new ConcreteStrategyA();}strategy.execute();}
}

9.2 使用反射动态加载策略

为了避免频繁修改代码，可以通过反射动态加载策略：

public class Context {private Strategy strategy;public void setStrategy(String strategyClassName) throws Exception {this.strategy = (Strategy) Class.forName(strategyClassName).getDeclaredConstructor().newInstance();}public void executeStrategy() {strategy.execute();}
}

9.3 使用配置文件管理策略

将策略的配置放在配置文件中，便于管理和维护：

# strategy.properties
strategy=ConcreteStrategyA

import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;public class StrategyLoader {public static Strategy loadStrategy() throws Exception {Properties properties = new Properties();try (InputStream input = StrategyLoader.class.getResourceAsStream("/strategy.properties")) {properties.load(input);}String strategyClassName = properties.getProperty("strategy");return (Strategy) Class.forName(strategyClassName).getDeclaredConstructor().newInstance();}
}

9.4 策略模式与依赖注入

结合依赖注入框架（如Spring），可以更加灵活地管理策略的实例：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;@Component
public class Context {private final Strategy strategy;@Autowiredpublic Context(Strategy strategy) {this.strategy = strategy;}public void executeStrategy() {strategy.execute();}
}

10. 策略模式的实际应用案例

10.1 支付系统中的策略模式

在一个支付系统中，可能有多种支付方式，如信用卡支付、支付宝支付、微信支付等。通过策略模式，可以根据用户选择的支付方式动态切换支付策略。

支付策略接口

public interface PaymentStrategy {void pay(double amount);
}

具体支付策略类

// 信用卡支付策略
public class CreditCardPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("使用信用卡支付：" + amount + "元");}
}// 支付宝支付策略
public class AliPayPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("使用支付宝支付：" + amount + "元");}
}// 微信支付策略
public class WeChatPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic void pay(double amount) {System.out.println("使用微信支付：" + amount + "元");}
}

支付上下文类

public class PaymentContext {private PaymentStrategy paymentStrategy;// 设置支付策略public void setPaymentStrategy(PaymentStrategy paymentStrategy) {this.paymentStrategy = paymentStrategy;}// 执行支付public void pay(double amount) {if (paymentStrategy == null) {throw new IllegalStateException("PaymentStrategy未设置");}paymentStrategy.pay(amount);}
}

支付策略工厂类

为了更加优雅地创建支付策略，可以使用工厂模式：

public class PaymentStrategyFactory {public static PaymentStrategy getPaymentStrategy(String type) {switch (type) {case "CreditCard":return new CreditCardPaymentStrategy();case "AliPay":return new AliPayPaymentStrategy();case "WeChat":return new WeChatPaymentStrategy();default:throw new IllegalArgumentException("未知的支付类型: " + type);}}
}

客户端代码

public class PaymentDemo {public static void main(String[] args) {PaymentContext context = new PaymentContext();// 从外部获取支付类型，例如通过用户输入或配置文件String paymentType = "CreditCard"; // 这里可以根据实际情况更改// 使用工厂创建支付策略PaymentStrategy paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);// 设置支付策略context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);// 执行支付context.pay(100.0); // 输出: 使用信用卡支付：100.0元// 更改支付策略paymentType = "AliPay";paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);context.pay(200.0); // 输出: 使用支付宝支付：200.0元// 更改支付策略paymentType = "WeChat";paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);context.pay(300.0); // 输出: 使用微信支付：300.0元}
}

优化的重点

1. 工厂模式：使用工厂模式来创建支付策略对象，使客户端代码更简洁，策略的创建和选择更灵活。
2. 空策略检查：在上下文类中增加对策略是否为空的检查，避免未设置策略时的运行时错误。
3. 策略类型动态获取：通过从外部（如用户输入或配置文件）获取支付类型，示例代码更加接近实际应用场景。

通过策略模式和工厂模式的结合，可以实现一个灵活、可扩展且易于维护的支付系统。在实际开发中，进一步结合依赖注入框架（如Spring）来管理策略对象，可以提升代码的可测试性和可扩展性。