设计模式 --- 行为型模式

一、概述

行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。

行为型模式分为类行为模式和对象行为模式，前者采用继承机制来在类间分派行为，后者采用组合或聚合在对象间分配行为。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。

行为型模式分为：

• 模板方法模式
• 策略模式
• 命令模式
• 职责链模式
• 状态模式
• 观察者模式
• 中介者模式
• 迭代器模式
• 访问者模式
• 备忘录模式
• 解释器模式

以上 11 种行为型模式，除了模板方法模式和解释器模式是类行为型模式，其他的全部属于对象行为型模式。

 
 

二、模板方法模式

2.1、概述

在面向对象程序设计过程中，程序员常常会遇到这种情况：设计一个系统时知道了算法所需的关键步骤，而且确定了这些步骤的执行顺序，但某些步骤的具体实现还未知，或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例如，去银行办理业务一般要经过以下4个流程：取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等，其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的，可以在父类中实现，但是办理具体业务却因人而异，它可能是存款、取款或者转账等，可以延迟到子类中实现。

定义：

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。

 

2.2、结构

模板方法（Template Method）模式包含以下主要角色：

• 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。

  • 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。

  • 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) ：一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。

    • 具体方法(Concrete Method) ：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(Hook Method) ：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。

      一般钩子方法是用于判断的逻辑方法，这类方法名一般为isXxx，返回值类型为boolean类型。

• 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组成步骤。

 

2.3、案例实现

【例】炒菜

炒菜的步骤是固定的，分为倒油、热油、倒蔬菜、倒调料品、翻炒等步骤。现通过模板方法模式来用代码模拟。类图如下：

代码如下：

public abstract class AbstractClass {public final void cookProcess() {//第一步：倒油this.pourOil();//第二步：热油this.heatOil();//第三步：倒蔬菜this.pourVegetable();//第四步：倒调味料this.pourSauce();//第五步：翻炒this.fry();}public void pourOil() {System.out.println("倒油");}//第二步：热油是一样的，所以直接实现public void heatOil() {System.out.println("热油");}//第三步：倒蔬菜是不一样的（一个下包菜，一个是下菜心）public abstract void pourVegetable();//第四步：倒调味料是不一样public abstract void pourSauce();//第五步：翻炒是一样的，所以直接实现public void fry(){System.out.println("炒啊炒啊炒到熟啊");}
}public class ConcreteClass_BaoCai extends AbstractClass {@Overridepublic void pourVegetable() {System.out.println("下锅的蔬菜是包菜");}@Overridepublic void pourSauce() {System.out.println("下锅的酱料是辣椒");}
}public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass {@Overridepublic void pourVegetable() {System.out.println("下锅的蔬菜是菜心");}@Overridepublic void pourSauce() {System.out.println("下锅的酱料是蒜蓉");}
}public class Client {public static void main(String[] args) {//炒手撕包菜ConcreteClass_BaoCai baoCai = new ConcreteClass_BaoCai();baoCai.cookProcess();//炒蒜蓉菜心ConcreteClass_CaiXin caiXin = new ConcreteClass_CaiXin();caiXin.cookProcess();}
}

注意：为防止恶意操作，一般模板方法都加上 final 关键词。

 

2.4、优缺点

优点：

• 提高代码复用性

  将相同部分的代码放在抽象的父类中，而将不同的代码放入不同的子类中。

• 实现了反向控制

  通过一个父类调用其子类的操作，通过对子类的具体实现扩展不同的行为，实现了反向控制 ，并符合“开闭原则”。

缺点：

• 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。
• 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。

 

2.5、适用场景

• 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。
• 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。

 

2.6、JDK源码解析

InputStream类就使用了模板方法模式。在InputStream类中定义了多个 read() 方法，如下：

public abstract class InputStream implements Closeable {//抽象方法，要求子类必须重写public abstract int read() throws IOException;public int read(byte b[]) throws IOException {return read(b, 0, b.length);}public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {if (b == null) {throw new NullPointerException();} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {throw new IndexOutOfBoundsException();} else if (len == 0) {return 0;}int c = read(); //调用了无参的read方法，该方法是每次读取一个字节数据if (c == -1) {return -1;}b[off] = (byte)c;int i = 1;try {for (; i < len ; i++) {c = read();if (c == -1) {break;}b[off + i] = (byte)c;}} catch (IOException ee) {}return i;}
}

从上面代码可以看到，无参的 read() 方法是抽象方法，要求子类必须实现。而 read(byte b[]) 方法调用了 read(byte b[], int off, int len) 方法，所以在此处重点看的方法是带三个参数的方法。

在该方法中第18行、27行，可以看到调用了无参的抽象的 read() 方法。

总结如下： 在InputStream父类中已经定义好了读取一个字节数组数据的方法是每次读取一个字节，并将其存储到数组的第一个索引位置，读取len个字节数据。具体如何读取一个字节数据呢？由子类实现。

 
 

三、策略模式

3.1、概述

先看下面的图片，我们去旅游选择出行模式有很多种，可以骑自行车、可以坐汽车、可以坐火车、可以坐飞机。

作为一个程序猿，开发需要选择一款开发工具，当然可以进行代码开发的工具有很多，可以选择Idea进行开发，也可以使用eclipse进行开发，也可以使用其他的一些开发工具。

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。

 

3.2、结构

策略模式的主要角色如下：

• 抽象策略（Strategy）类：这是一个抽象角色，通常由一个接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体策略类所需的接口。
• 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或行为。
• 环境（Context）类：持有一个策略类的引用，最终给客户端调用。

 

3.3、案例实现

【例】促销活动

一家百货公司在定年度的促销活动。针对不同的节日（春节、中秋节、圣诞节）推出不同的促销活动，由促销员将促销活动展示给客户。类图如下：

代码如下：

定义百货公司所有促销活动的共同接口

public interface Strategy {void show();
}

定义具体策略角色（Concrete Strategy）：每个节日具体的促销活动

//为春节准备的促销活动A
public class StrategyA implements Strategy {public void show() {System.out.println("买一送一");}
}//为中秋准备的促销活动B
public class StrategyB implements Strategy {public void show() {System.out.println("满200元减50元");}
}//为圣诞准备的促销活动C
public class StrategyC implements Strategy {public void show() {System.out.println("满1000元加一元换购任意200元以下商品");}
}

定义环境角色（Context）：用于连接上下文，即把促销活动推销给客户，这里可以理解为销售员

public class SalesMan {                        //持有抽象策略角色的引用                              private Strategy strategy;                 public SalesMan(Strategy strategy) {       this.strategy = strategy;              }                                          //向客户展示促销活动                                public void salesManShow(){                strategy.show();                       }                                          
}                                              

 

3.4、优缺点

1、优点：

• 策略类之间可以自由切换

  由于策略类都实现同一个接口，所以使它们之间可以自由切换。

• 易于扩展

  增加一个新的策略只需要添加一个具体的策略类即可，基本不需要改变原有的代码，符合“开闭原则“

• 避免使用多重条件选择语句（if else），充分体现面向对象设计思想。

2、缺点：

• 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。
• 策略模式将造成产生很多策略类，可以通过使用享元模式在一定程度上减少对象的数量。

 

3.5、使用场景

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
• 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。

  

3.6、JDK源码解析

Comparator 中的策略模式。在Arrays类中有一个 sort() 方法，如下：

public class Arrays{public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) {if (c == null) {sort(a);} else {if (LegacyMergeSort.userRequested)legacyMergeSort(a, c);elseTimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0);}}
}

Arrays就是一个环境角色类，这个sort方法可以传一个新策略让Arrays根据这个策略来进行排序。就比如下面的测试类。

public class demo {public static void main(String[] args) {Integer[] data = {12, 2, 3, 2, 4, 5, 1};// 实现降序排序Arrays.sort(data, new Comparator<Integer>() {public int compare(Integer o1, Integer o2) {return o2 - o1;}});System.out.println(Arrays.toString(data)); //[12, 5, 4, 3, 2, 2, 1]}
}

这里我们在调用Arrays的sort方法时，第二个参数传递的是Comparator接口的子实现类对象。所以Comparator充当的是抽象策略角色，而具体的子实现类充当的是具体策略角色。环境角色类（Arrays）应该持有抽象策略的引用来调用。那么，Arrays类的sort方法到底有没有使用Comparator子实现类中的 compare() 方法吗？让我们继续查看TimSort类的 sort() 方法，代码如下：

class TimSort<T> {static <T> void sort(T[] a, int lo, int hi, Comparator<? super T> c,T[] work, int workBase, int workLen) {assert c != null && a != null && lo >= 0 && lo <= hi && hi <= a.length;int nRemaining  = hi - lo;if (nRemaining < 2)return;  // Arrays of size 0 and 1 are always sorted// If array is small, do a "mini-TimSort" with no mergesif (nRemaining < MIN_MERGE) {int initRunLen = countRunAndMakeAscending(a, lo, hi, c);binarySort(a, lo, hi, lo + initRunLen, c);return;}...}   private static <T> int countRunAndMakeAscending(T[] a, int lo, int hi,Comparator<? super T> c) {assert lo < hi;int runHi = lo + 1;if (runHi == hi)return 1;// Find end of run, and reverse range if descendingif (c.compare(a[runHi++], a[lo]) < 0) { // Descendingwhile (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)runHi++;reverseRange(a, lo, runHi);} else {                              // Ascendingwhile (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) >= 0)runHi++;}return runHi - lo;}
}

上面的代码中最终会跑到 countRunAndMakeAscending() 这个方法中。我们可以看见，只用了compare方法，所以在调用Arrays.sort方法只传具体compare重写方法的类对象就行，这也是Comparator接口中必须要子类实现的一个方法。

 

 

四、命令模式

后续补充...

五、职责链模式

六、状态模式

七、观察者模式

八、中介者模式

九、迭代器模式

十、访问者模式

十一、备忘录模式

十二、解释器模式