六.行为型模式
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。
6.1 模板方法模式
6.1.1 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。
6.1.2 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。
6.1.3 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：
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 {
@Override
public void pourVegetable() {
System.out.println("下锅的蔬菜是包菜");
}
@Override
public void pourSauce() {
System.out.println("下锅的酱料是辣椒");
}
}
public class ConcreteClass_CaiXin extends AbstractClass {
@Override
public void pourVegetable() {
System.out.println("下锅的蔬菜是菜心");
}
@Override
public 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();
}
}
6.1.3 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。
6.1.4 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。
6.1.5 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。
6.2 策略模式
6.2.1 概述
定义：
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存储、传递、调用、增加与管理。
6.2.2 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。
6.2.3 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：
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();
}
}
6.2.4 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。
6.2.5 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。
6.2.6 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);
else
TimSort.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 merges
if (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 descending
if (c.compare(a[runHi++], a[lo]) < 0) { // Descending
while (runHi < hi && c.compare(a[runHi], a[runHi - 1]) < 0)
runHi++;
reverseRange(a, lo, runHi);
} else { // Ascending
while (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。
6.3 命令模式
6.3.1 概述
日常生活中，我们出去吃饭都会遇到下面的场景。
6.3 命令模式
6.3.1 概述
日常生活中，我们出去吃饭都会遇到下面的场景。
public interface Command {
void execute();//只需要定义一个统一的执行方法
}
public class OrderCommand implements Command {
//持有接受者对象
private SeniorChef receiver;
private Order order;
public OrderCommand(SeniorChef receiver, Order order){
this.receiver = receiver;
this.order = order;
}
public void execute() {
System.out.println(order.getDiningTable() + "桌的订单：");
Set<String> keys = order.getFoodDic().keySet();
for (String key : keys) {
receiver.makeFood(order.getFoodDic().get(key),key);
}
try {
Thread.sleep(100);//停顿一下 模拟做饭的过程
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(order.getDiningTable() + "桌的饭弄好了");
}
}
public class Order {
// 餐桌号码
private int diningTable;
// 用来存储餐名并记录份数
private Map<String, Integer> foodDic = new HashMap<String, Integer>();
public int getDiningTable() {
return diningTable;
}
public void setDiningTable(int diningTable) {
this.diningTable = diningTable;
}
public Map<String, Integer> getFoodDic() {
return foodDic;
}
public void setFoodDic(String name, int num) {
foodDic.put(name,num);
}
}
// 资深大厨类 是命令的Receiver
public class SeniorChef {
public void makeFood(int num,String foodName) {
System.out.println(num + "份" + foodName);
}
}
public class Waitor {
private ArrayList<Command> commands;//可以持有很多的命令对象
public Waitor() {
commands = new ArrayList();
}
public void setCommand(Command cmd){
commands.add(cmd);
}
// 发出命令 喊 订单来了，厨师开始执行
public void orderUp() {
System.out.println("美女服务员：叮咚，大厨，新订单来了.......");
for (int i = 0; i < commands.size(); i++) {
Command cmd = commands.get(i);
if (cmd != null) {
cmd.execute();
}
}
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//创建2个order
Order order1 = new Order();
order1.setDiningTable(1);
order1.getFoodDic().put("西红柿鸡蛋面",1);
order1.getFoodDic().put("小杯可乐",2);
Order order2 = new Order();
order2.setDiningTable(3);
order2.getFoodDic().put("尖椒肉丝盖饭",1);
order2.getFoodDic().put("小杯雪碧",1);
//创建接收者
SeniorChef receiver=new SeniorChef();
//将订单和接收者封装成命令对象
OrderCommand cmd1 = new OrderCommand(receiver, order1);
OrderCommand cmd2 = new OrderCommand(receiver, order2);
//创建调用者 waitor
Waitor invoker = new Waitor();
invoker.setCommand(cmd1);
invoker.setCommand(cmd2);
//将订单带到柜台 并向厨师喊 订单来了
invoker.orderUp();
}
}
6.3.4 优缺点
1，优点：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
2，缺点：
- 使用命令模式可能会导致某些系统有过多的具体命令类。
- 系统结构更加复杂。
6.3.5 使用场景
- 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。
- 系统需要在不同的时间指定请求、将请求排队和执行请求。
- 系统需要支持命令的撤销(Undo)操作和恢复(Redo)操作。
6.3.6 JDK源码解析
Runable是一个典型命令模式，Runnable担当命令的角色，Thread充当的是调用者，start方法就是其执行方法
//命令接口(抽象命令角色)
public interface Runnable {
public abstract void run();
}
//调用者
public class Thread implements Runnable {
private Runnable target;
public synchronized void start() {
if (threadStatus != 0)
throw new IllegalThreadStateException();
group.add(this);
boolean started = false;
try {
start0();
started = true;
} finally {
try {
if (!started) {
group.threadStartFailed(this);
}
} catch (Throwable ignore) {
}
}
}
private native void start0();
}
会调用一个native方法start0(),调用系统方法，开启一个线程。而接收者是对程序员开放的，可以自己定义接收者。
/**
* jdk Runnable 命令模式
* TurnOffThread ： 属于具体
*/
public class TurnOffThread implements Runnable{
private Receiver receiver;
public TurnOffThread(Receiver receiver) {
this.receiver = receiver;
}
public void run() {
receiver.turnOFF();
}
}
/**
* 测试类
*/
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
Receiver receiver = new Receiver();
TurnOffThread turnOffThread = new TurnOffThread(receiver);
Thread thread = new Thread(turnOffThread);
thread.start();
}
}
6.4 责任链模式
6.4.1 概述
在现实生活中，常常会出现这样的事例：一个请求有多个对象可以处理，但每个对象的处理条件或权限不同。例如，公司员工请假，可批假的领导有部门负责人、副总经理、总经理等，但每个领导能批准的天数不同，员工必须根据自己要请假的天数去找不同的领导签名，也就是说员工必须记住每个领导的姓名、电话和地址等信息，这增加了难度。这样的例子还有很多，如找领导出差报销、生活中的“击鼓传花”游戏等。
定义：
又名职责链模式，为了避免请求发送者与多个请求处理者耦合在一起，将所有请求的处理者通过前一对象记住其下一个对象的引用而连成一条链；当有请求发生时，可将请求沿着这条链传递，直到有对象处理它为止。
6.4.2 结构
职责链模式主要包含以下角色:
- 抽象处理者（Handler）角色：定义一个处理请求的接口，包含抽象处理方法和一个后继连接。
- 具体处理者（Concrete Handler）角色：实现抽象处理者的处理方法，判断能否处理本次请求，如果可以处理请求则处理，否则将该请求转给它的后继者。
- 客户类（Client）角色：创建处理链，并向链头的具体处理者对象提交请求，它不关心处理细节和请求的传递过程。
6.4.3 案例实现
现需要开发一个请假流程控制系统。请假一天以下的假只需要小组长同意即可；请假1天到3天的假还需要部门经理同意；请求3天到7天还需要总经理同意才行。
类图如下：
//请假条
public class LeaveRequest {
private String name;//姓名
private int num;//请假天数
private String content;//请假内容
public LeaveRequest(String name, int num, String content) {
this.name = name;
this.num = num;
this.content = content;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getNum() {
return num;
}
public String getContent() {
return content;
}
}
//处理者抽象类
public abstract class Handler {
protected final static int NUM_ONE = 1;
protected final static int NUM_THREE = 3;
protected final static int NUM_SEVEN = 7;
//该领导处理的请假天数区间
private int numStart;
private int numEnd;
//领导上面还有领导
private Handler nextHandler;
//设置请假天数范围 上不封顶
public Handler(int numStart) {
this.numStart = numStart;
}
//设置请假天数范围
public Handler(int numStart, int numEnd) {
this.numStart = numStart;
this.numEnd = numEnd;
}
//设置上级领导
public void setNextHandler(Handler nextHandler){
this.nextHandler = nextHandler;
}
//提交请假条
public final void submit(LeaveRequest leave){
if(0 == this.numStart){
return;
}
//如果请假天数达到该领导者的处理要求
if(leave.getNum() >= this.numStart){
this.handleLeave(leave);
//如果还有上级 并且请假天数超过了当前领导的处理范围
if(null != this.nextHandler && leave.getNum() > numEnd){
this.nextHandler.submit(leave);//继续提交
} else {
System.out.println("流程结束");
}
}
}
//各级领导处理请假条方法
protected abstract void handleLeave(LeaveRequest leave);
}
//小组长
public class GroupLeader extends Handler {
public GroupLeader() {
//小组长处理1-3天的请假
super(Handler.NUM_ONE, Handler.NUM_THREE);
}
@Override
protected void handleLeave(LeaveRequest leave) {
System.out.println(leave.getName() + "请假" + leave.getNum() + "天," + leave.getContent() + "。");
System.out.println("小组长审批：同意。");
}
}
//部门经理
public class Manager extends Handler {
public Manager() {
//部门经理处理3-7天的请假
super(Handler.NUM_THREE, Handler.NUM_SEVEN);
}
@Override
protected void handleLeave(LeaveRequest leave) {
System.out.println(leave.getName() + "请假" + leave.getNum() + "天," + leave.getContent() + "。");
System.out.println("部门经理审批：同意。");
}
}
//总经理
public class GeneralManager extends Handler {
public GeneralManager() {
//部门经理处理7天以上的请假
super(Handler.NUM_SEVEN);
}
@Override
protected void handleLeave(LeaveRequest leave) {
System.out.println(leave.getName() + "请假" + leave.getNum() + "天," + leave.getContent() + "。");
System.out.println("总经理审批：同意。");
}
}
//测试类
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//请假条来一张
LeaveRequest leave = new LeaveRequest("小花",5,"身体不适");
//各位领导
GroupLeader groupLeader = new GroupLeader();
Manager manager = new Manager();
GeneralManager generalManager = new GeneralManager();
groupLeader.setNextHandler(manager);//小组长的领导是部门经理
manager.setNextHandler(generalManager);//部门经理的领导是总经理
//之所以在这里设置上级领导，是因为可以根据实际需求来更改设置，如果实战中上级领导人都是固定的，则可以移到领导实现类中。
//提交申请
groupLeader.submit(leave);
}
}
6.4.4 优缺点
1，优点：
- 降低了对象之间的耦合度该模式降低了请求发送者和接收者的耦合度。
- 增强了系统的可扩展性可以根据需要增加新的请求处理类，满足开闭原则。
- 增强了给对象指派职责的灵活性当工作流程发生变化，可以动态地改变链内的成员或者修改它们的次序，也可动态地新增或者删除责任。
- 责任链简化了对象之间的连接一个对象只需保持一个指向其后继者的引用，不需保持其他所有处理者的引用，这避免了使用众多的 if 或者 if···else 语句。
- 责任分担每个类只需要处理自己该处理的工作，不能处理的传递给下一个对象完成，明确各类的责任范围，符合类的单一职责原则。
2，缺点：
- 不能保证每个请求一定被处理。由于一个请求没有明确的接收者，所以不能保证它一定会被处理，该请求可能一直传到链的末端都得不到处理。
- 对比较长的职责链，请求的处理可能涉及多个处理对象，系统性能将受到一定影响。
- 职责链建立的合理性要靠客户端来保证，增加了客户端的复杂性，可能会由于职责链的错误设置而导致系统出错，如可能会造成循环调用。
