设计模式行为型模式理解_23种设计模式

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行为型模式概述（行为型模式的分类）

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。

行为型模式是 GoF 设计模式中最为庞大的一类，它包含以下 11 种模式。

1. 模板方法（Template Method）模式：定义一个操作中的算法骨架，将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类在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. 策略（Strategy）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，且算法的改变不会影响使用算法的客户。
3. 命令（Command）模式：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。
4. 职责链（Chain of Responsibility）模式：把请求从链中的一个对象传到下一个对象，直到请求被响应为止。通过这种方式去除对象之间的耦合。
5. 状态（State）模式：允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为能力。
6. 观察者（Observer）模式：多个对象间存在一对多关系，当一个对象发生改变时，把这种改变通知给其他多个对象，从而影响其他对象的行为。
7. 中介者（Mediator）模式：定义一个中介对象来简化原有对象之间的交互关系，降低系统中对象间的耦合度，使原有对象之间不必相互了解。
8. 迭代器（Iterator）模式：提供一种方法来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。
9. 访问者（Visitor）模式：在不改变集合元素的前提下，为一个集合中的每个元素提供多种访问方式，即每个元素有多个访问者对象访问。
10. 备忘录（Memento）模式：在不破坏封装性的前提下，获取并保存一个对象的内部状态，以便以后恢复它。
11. 解释器（Interpreter）模式：提供如何定义语言的文法，以及对语言句子的解释方法，即解释器。

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，下面我们将详细介绍它们的特点、结构与应用。

1. 模板方法模式（抽象类定义步骤，具体由子类去实现）

模式的定义与特点

模板方法（Template Method）模式的定义如下：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。它是一种类行为型模式。

模式的结构与实现

模式的扩展（钩子方法）

在模板方法模式中，基本方法包含：抽象方法、具体方法和钩子方法，正确使用“钩子方法”可以使得子类控制父类的行为。如下面例子中，可以通过在具体子类中重写钩子方法 HookMethod1() 和 HookMethod2() 来改变抽象父类中的运行结果，其结构图如图 3 所示。

2. 策略模式（将具体策略注入到 环境类中）

策略模式的定义与特点

策略（Strategy）模式的定义：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。

策略模式的主要优点如下。

1. 多重条件语句不易维护，而使用策略模式可以避免使用多重条件语句，如 if…else 语句、switch…case 语句。
2. 策略模式提供了一系列的可供重用的算法族，恰当使用继承可以把算法族的公共代码转移到父类里面，从而避免重复的代码。
3. 策略模式可以提供相同行为的不同实现，客户可以根据不同时间或空间要求选择不同的。
4. 策略模式提供了对开闭原则的完美支持，可以在不修改原代码的情况下，灵活增加新算法。
5. 策略模式把算法的使用放到环境类中，而算法的实现移到具体策略类中，实现了二者的分离。

其主要缺点如下。

1. 客户端必须理解所有策略算法的区别，以便适时选择恰当的算法类。
2. 策略模式造成很多的策略类，增加维护难度。

策略模式的结构与实现

策略模式的扩展（策略工厂）

3. 命令模式（命令Command里面有接收者Receiver具体执行）

在软件开发系统中，“方法的请求者”与“方法的实现者”之间经常存在紧密的耦合关系，这不利于软件功能的扩展与维护。例如，想对方法进行“撤销、重做、记录”等处理都很不方便，因此“如何将方法的请求者与实现者解耦？”变得很重要，命令模式就能很好地解决这个问题。

在现实生活中，命令模式的例子也很多。比如看电视时，我们只需要轻轻一按遥控器就能完成频道的切换，这就是命令模式，将换台请求和换台处理完全解耦了。电视机遥控器（命令发送者）通过按钮（具体命令）来遥控电视机（命令接收者）。

再比如，我们去餐厅吃饭，菜单不是等到客人来了之后才定制的，而是已经预先配置好的。这样，客人来了就只需要点菜，而不是任由客人临时定制。餐厅提供的菜单就相当于把请求和处理进行了解耦，这就是命令模式的体现。

命令模式的定义与特点

命令（Command）模式的定义如下：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储存、传递、调用、增加与管理。

命令模式的主要优点如下。

1. 通过引入中间件（抽象接口）降低系统的耦合度。
2. 扩展性良好，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，且满足“开闭原则”。
3. 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。
4. 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。
5. 可以在现有命令的基础上，增加额外功能。比如日志记录，结合装饰器模式会更加灵活。

其缺点是：

1. 可能产生大量具体的命令类。因为每一个具体操作都需要设计一个具体命令类，这会增加系统的复杂性。
2. 命令模式的结果其实就是接收方的执行结果，但是为了以命令的形式进行架构、解耦请求与实现，引入了额外类型结构（引入了请求方与抽象命令接口），增加了理解上的困难。不过这也是设计模式的通病，抽象必然会额外增加类的数量，代码抽离肯定比代码聚合更加难理解。

命令模式的结构与实现

命令模式的扩展（与组合模式联合使用，构成了宏命令模式）

4. 责任链模式（设置下家，一直传导）

模式的定义与特点

责任链（Chain of Responsibility）模式的定义：为了避免请求发送者与多个请求处理者耦合在一起，于是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。

注意：责任链模式也叫职责链模式。

在责任链模式中，客户只需要将请求发送到责任链上即可，无须关心请求的处理细节和请求的传递过程，请求会自动进行传递。所以责任链将请求的发送者和请求的处理者解耦了。

模式的结构与实现

图1 责任链模式的结构图

图2 责任链

模式的扩展

职责链模式存在以下两种情况。

1. 纯的职责链模式：一个请求必须被某一个处理者对象所接收，且一个具体处理者对某个请求的处理只能采用以下两种行为之一：自己处理（承担责任）；把责任推给下家处理。
2. 不纯的职责链模式：允许出现某一个具体处理者对象在承担了请求的一部分责任后又将剩余的责任传给下家的情况，且一个请求可以最终不被任何接收端对象所接收。

5. 状态模式（状态模式的各个状态对象知道自己要进入的下一个状态对象）

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

状态模式与责任链模式的区别

状态模式和责任链模式都能消除 if-else 分支过多的问题。但在某些情况下，状态模式中的状态可以理解为责任，那么在这种情况下，两种模式都可以使用。

从定义来看，状态模式强调的是一个对象内在状态的改变，而责任链模式强调的是外部节点对象间的改变。

从代码实现上来看，两者最大的区别就是状态模式的各个状态对象知道自己要进入的下一个状态对象，而责任链模式并不清楚其下一个节点处理对象，因为链式组装由客户端负责。

状态模式与策略模式的区别

状态模式和策略模式的 UML 类图架构几乎完全一样，但两者的应用场景是不一样的。策略模式的多种算法行为择其一都能满足，彼此之间是独立的，用户可自行更换策略算法，而状态模式的各个状态间存在相互关系，彼此之间在一定条件下存在自动切换状态的效果，并且用户无法指定状态，只能设置初始状态。

6. 观察者模式（一对多，当一改变，多会收到通知并更新）

观察者（Observer）模式的定义：指多个对象间存在一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。这种模式有时又称作发布-订阅模式、模型-视图模式，它是对象行为型模式。

7. 中介者模式（将同事对象 注册进 中介者对象中）

在现实生活中，常常会出现好多对象之间存在复杂的交互关系，这种交互关系常常是“网状结构”，它要求每个对象都必须知道它需要交互的对象。例如，每个人必须记住他（她）所有朋友的电话；而且，朋友中如果有人的电话修改了，他（她）必须让其他所有的朋友一起修改，这叫作“牵一发而动全身”，非常复杂。

如果把这种“网状结构”改为“星形结构”的话，将大大降低它们之间的“耦合性”，这时只要找一个“中介者”就可以了。如前面所说的“每个人必须记住所有朋友电话”的问题，只要在网上建立一个每个朋友都可以访问的“通信录”就解决了。这样的例子还有很多，例如，你刚刚参加工作想租房，可以找“房屋中介”；或者，自己刚刚到一个陌生城市找工作，可以找“人才交流中心”帮忙。

在软件的开发过程中，这样的例子也很多，例如，在 MVC 框架中，控制器（C）就是模型（M）和视图（V）的中介者；还有大家常用的 QQ 聊天程序的“中介者”是 QQ 服务器。所有这些，都可以采用“中介者模式”来实现，它将大大降低对象之间的耦合性，提高系统的灵活性。

模式的定义与特点

中介者（Mediator）模式的定义：定义一个中介对象来封装一系列对象之间的交互，使原有对象之间的耦合松散，且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式又叫调停模式，它是迪米特法则的典型应用。

模式的结构与实现

中介者模式的实现代码如下：

package net.biancheng.c.mediator;

import java.util.*;

public class MediatorPattern { 
   
    public static void main(String[] args) { 
   
        Mediator md = new ConcreteMediator();
        Colleague c1, c2;
        c1 = new ConcreteColleague1();
        c2 = new ConcreteColleague2();
        md.register(c1);
        md.register(c2);
        c1.send();
        System.out.println("-------------");
        c2.send();
    }
}

//抽象中介者
abstract class Mediator { 
   
    public abstract void register(Colleague colleague);

    public abstract void relay(Colleague cl); //转发
}

//具体中介者
class ConcreteMediator extends Mediator { 
   
    private List<Colleague> colleagues = new ArrayList<Colleague>();

    public void register(Colleague colleague) { 
   
        if (!colleagues.contains(colleague)) { 
   
            colleagues.add(colleague);
            colleague.setMedium(this);
        }
    }

    public void relay(Colleague cl) { 
   
        for (Colleague ob : colleagues) { 
   
            if (!ob.equals(cl)) { 
   
                ((Colleague) ob).receive();
            }
        }
    }
}

//抽象同事类
abstract class Colleague { 
   
    protected Mediator mediator;

    public void setMedium(Mediator mediator) { 
   
        this.mediator = mediator;
    }

    public abstract void receive();

    public abstract void send();
}

//具体同事类
class ConcreteColleague1 extends Colleague { 
   
    public void receive() { 
   
        System.out.println("具体同事类1收到请求。");
    }

    public void send() { 
   
        System.out.println("具体同事类1发出请求。");
        mediator.relay(this); //请中介者转发
    }
}

//具体同事类
class ConcreteColleague2 extends Colleague { 
   
    public void receive() { 
   
        System.out.println("具体同事类2收到请求。");
    }

    public void send() { 
   
        System.out.println("具体同事类2发出请求。");
        mediator.relay(this); //请中介者转发
    }
}

8. 迭代器模式（为不同的聚合结构提供统一的接口，略）

模式的应用场景

前面介绍了关于迭代器模式的结构与特点，下面介绍其应用场景，迭代器模式通常在以下几种情况使用。

1. 当需要为聚合对象提供多种遍历方式时。
2. 当需要为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口时。
3. 当访问一个聚合对象的内容而无须暴露其内部细节的表示时。

由于聚合与迭代器的关系非常密切，所以大多数语言在实现聚合类时都提供了迭代器类，因此大数情况下使用语言中已有的聚合类的迭代器就已经够了。

模式的扩展（与组合模式）

9. 访问者模式（Element接受Vistor）

在现实生活中，有些集合对象存在多种不同的元素，且每种元素也存在多种不同的访问者和处理方式。例如，公园中存在多个景点，也存在多个游客，不同的游客对同一个景点的评价可能不同；医院医生开的处方单中包含多种药元素，査看它的划价员和药房工作人员对它的处理方式也不同，划价员根据处方单上面的药品名和数量进行划价，药房工作人员根据处方单的内容进行抓药。

这样的例子还有很多，例如，电影或电视剧中的人物角色，不同的观众对他们的评价也不同；还有顾客在商场购物时放在“购物车”中的商品，顾客主要关心所选商品的性价比，而收银员关心的是商品的价格和数量。

这些被处理的数据元素相对稳定而访问方式多种多样的数据结构，如果用“访问者模式”来处理比较方便。访问者模式能把处理方法从数据结构中分离出来，并可以根据需要增加新的处理方法，且不用修改原来的程序代码与数据结构，这提高了程序的扩展性和灵活性。

模式的定义与特点

访问者（Visitor）模式的定义：将作用于某种数据结构中的各元素的操作分离出来封装成独立的类，使其在不改变数据结构的前提下可以添加作用于这些元素的新的操作，为数据结构中的每个元素提供多种访问方式。它将对数据的操作与数据结构进行分离，是行为类模式中最复杂的一种模式。

模式的结构与实现

访问者模式的实现代码如下：

package net.biancheng.c.visitor;

import java.util.*;

public class VisitorPattern { 
   
    public static void main(String[] args) { 
   
        ObjectStructure os = new ObjectStructure();
        os.add(new ConcreteElementA());
        os.add(new ConcreteElementB());
        Visitor visitor = new ConcreteVisitorA();
        os.accept(visitor);
        System.out.println("------------------------");
        visitor = new ConcreteVisitorB();
        os.accept(visitor);
    }
}

//抽象访问者
interface Visitor { 
   
    void visit(ConcreteElementA element);

    void visit(ConcreteElementB element);
}

//具体访问者A类
class ConcreteVisitorA implements Visitor { 
   
    public void visit(ConcreteElementA element) { 
   
        System.out.println("具体访问者A访问-->" + element.operationA());
    }

    public void visit(ConcreteElementB element) { 
   
        System.out.println("具体访问者A访问-->" + element.operationB());
    }
}

//具体访问者B类
class ConcreteVisitorB implements Visitor { 
   
    public void visit(ConcreteElementA element) { 
   
        System.out.println("具体访问者B访问-->" + element.operationA());
    }

    public void visit(ConcreteElementB element) { 
   
        System.out.println("具体访问者B访问-->" + element.operationB());
    }
}

//抽象元素类
interface Element { 
   
    void accept(Visitor visitor);
}

//具体元素A类
class ConcreteElementA implements Element { 
   
    public void accept(Visitor visitor) { 
   
        visitor.visit(this);
    }

    public String operationA() { 
   
        return "具体元素A的操作。";
    }
}

//具体元素B类
class ConcreteElementB implements Element { 
   
    public void accept(Visitor visitor) { 
   
        visitor.visit(this);
    }

    public String operationB() { 
   
        return "具体元素B的操作。";
    }
}

//对象结构角色
class ObjectStructure { 
   
    private List<Element> list = new ArrayList<Element>();

    public void accept(Visitor visitor) { 
   
        Iterator<Element> i = list.iterator();
        while (i.hasNext()) { 
   
            ((Element) i.next()).accept(visitor);
        }
    }

    public void add(Element element) { 
   
        list.add(element);
    }

    public void remove(Element element) { 
   
        list.remove(element);
    }
}

模式的扩展（与迭代器，与组合模式）

10. 备忘录模式

11. 解释器模式

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