一、什么是Strategy模式
Strategy的意思是“策略”,指的是与敌军对垒时行军作战的方法。在编程中,我们可以将它理解为“算法”。无论什么程序,其目的都是解决问题。而为了解决问题,我们又需要编写特定的算法。使用Strategy模式可以整体地替换算法的实现部分,能让我们轻松地以不同的算法去解决同一个问题,这种模式就是Strategy模式。
用一句话概况:可以整体地替换算法。
二、Strategy模式示例代码
这段示例程序的功能是让电脑玩“猜拳”游戏。
我们考虑了两种猜拳的策略。第一种策略是“如果这局猜拳获胜,那么下一局也出一样的手势”(WinningStrategy),这是一种稍微有些笨的策略;另外一种策略是“根据上一局的手势从概率上计算出下一局的手势”( ProbStrategy )。
2.1 各个类之间的关系
先看一下所有的类和接口:
再看一下类图:
2.2 Hand类
Hand类的实例可以通过使用类方法 getHand来获取。只要将表示手势的值作为参数传递给getHand方法,它就会将手势的值所对应的Hand类的实例返回给我们。这也是一种 Singleton模式。
public class Hand { //石头的值为0 public static final int HANDVALUE_SHITOU = 0; //剪刀的值为1 public static final int HANDVALUE_JIANDAO = 1; //布的值为2 public static final int HANDVALUE_BU = 2; //三种手势的实例 public static final Hand[] hand = { new Hand(HANDVALUE_SHITOU), new Hand(HANDVALUE_JIANDAO), new Hand(HANDVALUE_BU) }; //手势对应的字符串 private static final String []name = { "石头", "剪刀", "布" }; //猜拳中出的手势的值 private int handValue; private Hand(int handValue) { this.handValue = handValue; } //根据手势的值获取对应的实例 public static Hand getHand(int handValue) { return hand[handValue]; } //如果this胜了h返回true public boolean isStrongerThan(Hand h) { return fight(h)==1; } //如果this输了h返回true public boolean isWeakerThan(Hand h) { return fight(h)==-1; } //实际用来判断胜负的方法:平0分,胜1分,输-1分 private int fight(Hand h) { if (this == h) { return 0; } else if ((this.handValue+1)%3 == h.handValue) { return 1; } else { return -1; } } public String toString() { return name[handValue]; } }
2.3 Strategy接口
定义了猜拳策略的抽象方法的接口。
public interface Strategy { /** * 获取下一局要出的手势 */ public abstract Hand nextHand(); /** * 学习上一局的手势是否获胜了,为下一次出什么手势提供依据 * @param win 上一局是否获胜 */ public abstract void study(boolean win); }
2.4 WinningStrategy类
实现的猜拳策略 WinningStrategy。
/** * 该类的猜拳策略有些笨。如果上一局的手势获胜了,则下一局的手势就与上局相同;如果上一局的手势输了,则下一局就随机出手势。 */ public class WinningStrategy implements Strategy{ private Random random; //保存了上一局猜拳的输赢结果 private boolean won = false; //上一局出的手势 private Hand prevHand; public WinningStrategy(int seed) { random = new Random(seed); } @Override public Hand nextHand() { if (!won) { prevHand = Hand.getHand(random.nextInt(3)); } return prevHand; } @Override public void study(boolean win) { won = win; } }
2.5 ProbStrategy类
实现的猜拳策略 ProbStrategy。
public class ProbStrategy implements Strategy{ private Random random; private int prevHandValue = 0; private int currentHandValue = 0; /** * history[上一局出的手势][这一局所出的手势] * 这个表达式的值越大,表示过去的胜率越高。下面稍微详细讲解下: * 假设我们上一局出的是石头。 * history[0][0]两局分别出石头、石头时胜了的次数 * history[0][1]两局分别出石头、剪刀时胜了的次数 * history[0][2]两局分别出石头、布时胜了的次数 */ private int[][] history = { {1, 1, 1, }, {1, 1, 1, }, {1, 1, 1, }, }; public ProbStrategy(int seed) { random = new Random(seed); } /** * 那么,我们就可以根据 history[0][0]、history[0][1]、history[0][2]这3个表达式的值从概率上计算出下一局出什么。 * 简而言之,就是先计算3个表达式的值的和 (getSum方法),然后再从0与这个和之间取一个随机数,并据此决定下一局应该出什么( nextHand方法)。 * 例如,如果 * history[0][0]是3 * history[0][1]是5 * history[0][2]是7 * 那么,下一局出什么就会以石头、剪刀和布的比率为3:5:7来决定。然后在0至15(不含15,15是3+5+7的和)之间取一个随机数。 */ @Override public Hand nextHand() { int bet = random.nextInt(getSum(currentHandValue)); int handvalue = 0; if (bet < history[currentHandValue][0]) { handvalue = 0; } else if (bet < history[currentHandValue][0] + history[currentHandValue][1]) { handvalue = 1; } else { handvalue = 2; } prevHandValue = currentHandValue; currentHandValue = handvalue; return Hand.getHand(handvalue); } /** * study方法会根据nextHand方法返回的手势的胜负结果来更新history字段中的值。 * @param win 上一局是否获胜 */ @Override public void study(boolean win) { if (win) { history[prevHandValue][currentHandValue]++; } else { history[prevHandValue][(currentHandValue+1)%3]++; history[prevHandValue][(currentHandValue+2)%3]++; } } private int getSum(int hv) { int sum = 0; for (int i = 0; i < 3; i++) { sum += history[hv][i]; } return sum; } }
2.6 Play类
Player类是表示进行猜拳游戏的选手的类。
nextHand方法是用来获取下一局手势的方法,不过实际上决定下一局手势的是各个策略。Player类的nextHand方法的返回值其实就是策略的nextHand方法的返回值。nextHand方法将自己的工作委托给了strategy,这就形成了一种委托关系。
在决定下一局要出的手势时,需要知道之前各局的胜(win)、负(lose)、平(even)等结果,因此Player类会通过strategy字段调用study方法,然后study方法会改变策略的内部状态。wincount、losecount 和 gamecount用于记录选手的猜拳结果。
public class Player { //选手姓名 private String name; //选手所选策略 private Strategy strategy; //选手猜拳结果 private int wincount; private int losecount; private int gamecount; public Player(String name, Strategy strategy) { this.name = name; this.strategy = strategy; } //获取下一局手势,实际上决定下一局手势的是各个策略,nextHand方法仅仅是获取 public Hand nextHand() { return strategy.nextHand(); } //胜 public void win() { strategy.study(true); wincount++; gamecount++; } //负 public void lose() { strategy.study(false); losecount++; gamecount++; } //平 public void even() { gamecount++; } @Override public String toString() { return "[" + name + ":" + gamecount + "games," + wincount + "win," + losecount + "lose" + "]"; } }
2.7 用于测试的Main类
这里Main类让以下两位选手进行10 000局比赛,然后显示比赛结果:
姓名:"Taro"、策略:WinningStrategy
姓名: "Hana"、策略:ProbStrategy
public class Main { public static void main(String[] args) { if (args.length != 2) { System.out.println("Usage: java Main randomseed1 randomseed2"); System.out.println("Example: java Main 314 15"); System.exit(0); } int seed1 = Integer.parseInt(args[0]); int seed2 = Integer.parseInt(args[1]); Player player1 = new Player("Taro", new WinningStrategy(seed1)); Player player2 = new Player("Hana", new ProbStrategy(seed2)); for (int i = 0; i < 10000; i++) { Hand nextHand1 = player1.nextHand(); Hand nextHand2 = player2.nextHand(); if (nextHand1.isStrongerThan(nextHand2)) { System.out.println("Winner:" + player1); player1.win(); player2.lose(); } else if (nextHand2.isStrongerThan(nextHand1)) { System.out.println("Winner:" + player2); player1.lose(); player2.win(); } else { System.out.println("Even..."); player1.even(); player2.even(); } } System.out.println("Total result:"); System.out.println(player1.toString()); System.out.println(player2.toString()); } }
三、拓展思路的要点
3.1 为什么需要特意编写Strategy 角色
通常在编程时算法会被写在具体方法中。Strategy模式却特意将算法与其他部分分离开来,只是定义了与算法相关的接口(API ),然后在程序中以委托的方式来使用算法。
这样看起来程序好像变复杂了,其实不然。例如,当我们想要通过改善算法来提高算法的处理速度时,如果使用了Strategy模式,就不必修改Strategy角色的接口(API)了,仅仅修改ConcreteStrategy 角色即可。
而且,使用委托这种弱关联关系可以很方便地整体替换算法。例如,如果想比较原来的算法与改进后的算法的处理速度有多大区别,简单地替换下算法即可进行测试。
例如,使用Strategy模式编写象棋程序时,可以方便地根据棋手的选择切换AI例程的水平。
3.2 程序运行中也可以切换策略
如果使用Strategy模式,在程序运行中也可以切换ConcreteStrategy 角色。例如,在内存容量少的运行环境中可以使用slowButLessMemorystrategy(速度慢但省内存的策略),而在内存容量多的运行环境中则可以使用FastButMoreMemorystrategy(速度快但耗内存的策略)。
此外,还可以用某种算法去“验算”另外一种算法。例如,假设要在某个表格计算软件的开发版本中进行复杂的计算。这时,我们可以准备两种算法,即“高速但计算上可能有Bug的算法”和“低速但计算准确的算法”,然后让后者去验算前者的计算结果。
四、相关的设计模式
4.1 Flyweight模式
有时会使用Flyweight模式让多个地方可以共用ConcreteStrategy角色。
4.2 Abstract Factory模式
使用Strategy模式可以整体地替换算法。
使用Abstract Factory模式则可以整体地替换具体工厂、零件和产品。
设计模式学习(九):Abstract Factory抽象工厂模式_玉面大蛟龙的博客-CSDN博客
4.3 State模式
使用Strategy模式和State模式都可以替换被委托对象,而且它们的类之间的关系也很相似。但是两种模式的目的不同。
在Strategy模式中,ConcreteStrategy 角色是表示算法的类。在Strategy模式中,可以替换被委托对象的类。当然如果没有必要,也可以不替换。
而在State模式中,ConcreteState角色是表示“状态”的类。在State模式中,每次状态变化时,被委托对象的类都必定会被替换。