设计模式（五） —— 行为型模式（中）

本篇我们将介绍四种行为型模式，分别是

• 解释器模式
• 迭代器模式
• 中介者模式
• 备忘录模式

解释器模式

我国 IT 界历来有一个汉语编程梦，虽然各方对于汉语编程争论不休，甚至上升到民族大义的高度，本文不讨论其对与错，但我们不妨来尝试一下，定义一个简单的中文编程语法。

在设计模式中，解释器模式就是用来自定义语法的，它的定义如下。

解释器模式（Interpreter Pattern）：给定一门语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，该解释器使用该表示来解释语言中的句子。

解释器模式较为晦涩难懂，但本文我们仍然深入浅出，通过一个简单的例子来学习解释器模式：使用中文编写出十以内的加减法公式。比如：

• 输入“一加一”，输出结果 2
• 输入“一加一加一”，输出结果 3
• 输入“二加五减三”，输出结果 4
• 输入“七减五加四减一”，输出结果 5
• 输入“九减五加三减一”，输出结果 6

看到这个需求，我们很容易想到一种写法：将输入的字符串分割成单个字符，把数字字符通过switch-case转换为数字，再通过计算符判断是加法还是减法，对应做加、减计算，最后返回结果即可。

的确可行，但这实在太面向过程了。众所周知，面向过程编程会有耦合度高，不易扩展等缺点。接下来我们尝试按照面向对象的写法来实现这个功能。

按照面向对象的编程思想，我们应该为公式中不同种类的元素建立一个对应的对象。那么我们先分析一下公式中的成员：

• 数字：零到九对应 0 ~ 9
• 计算符：加、减对应+、-

公式中仅有这两种元素，其中对于数字的处理比较简单，只需要通过 switch-case 将中文名翻译成阿拉伯数字即可。

计算符怎么处理呢？计算符左右两边可能是单个数字，也可能是另一个计算公式。但无论是数字还是公式，两者都有一个共同点，那就是他们都会返回一个整数：数字返回其本身，公式返回其计算结果。

所以我们可以根据这个共同点提取出一个返回整数的接口，数字和计算符都作为该接口的实现类。在计算时，使用栈结构存储数据，将数字和计算符统一作为此接口的实现类压入栈中计算。

talk is cheap, show me the code.

数字和计算符公共的接口：

interface Expression {
    int intercept();
}

上文已经说到，数字和计算符都属于表达式的一部分，他们的共同点是都会返回一个整数。从表达式计算出整数的过程，我们称之为解释（intercept）。

对数字类的解释实现起来相对比较简单：

public class Number implements Expression {
    int number;

    public Number(char word) {
        switch (word) {
            case '零':
                number = 0;
                break;
            case '一':
                number = 1;
                break;
            case '二':
                number = 2;
                break;
            case '三':
                number = 3;
                break;
            case '四':
                number = 4;
                break;
            case '五':
                number = 5;
                break;
            case '六':
                number = 6;
                break;
            case '七':
                number = 7;
                break;
            case '八':
                number = 8;
                break;
            case '九':
                number = 9;
                break;
            default:
                break;
        }
    }

    @Override
    public int intercept() {
        return number;
    }
}

在 Number 类的构造函数中，先将传入的字符转换为对应的数字。在解释时将转换后的数字返回即可。

无论是加法还是减法，他们都是对左右两个表达式进行操作，所以我们可以将计算符提取出共同的抽象父类：

abstract class Operator implements Expression {
    Expression left;
    Expression right;

    Operator(Expression left, Expression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
}

在此抽象父类中，我们存入了两个变量，表达计算符左右两边的表达式。

加法类实现如下：

class Add extends Operator {

    Add(Expression left, Expression right) {
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int intercept() {
        return left.intercept() + right.intercept();
    }
}

减法类：

class Sub extends Operator {

    Sub(Expression left, Expression right) {
        super(left, right);
    }

    @Override
    public int intercept() {
        return left.intercept() - right.intercept();
    }
}

加法类和减法类都继承自 Operator 类，在对他们进行解释时，将左右两边表达式解释出的值相加或相减即可。

数字类和计算符内都定义好了，这时我们只需要再编写一个计算类将他们综合起来，统一计算即可。

计算类：

class Calculator {
    int calculate(String expression) {
        Stack<Expression> stack = new Stack<>();
        for (int i = 0; i < expression.length(); i++) {
            char word = expression.charAt(i);
            switch (word) {
                case '加':
                    stack.push(new Add(stack.pop(), new Number(expression.charAt(++i))));
                    break;
                case '减':
                    stack.push(new Sub(stack.pop(), new Number(expression.charAt(++i))));
                    break;
                default:
                    stack.push(new Number(word));
                    break;
            }
        }
        return stack.pop().intercept();
    }
}

在计算类中，我们使用栈结构保存每一步操作。遍历 expression 公式：

• 遇到数字则将其压入栈中；
• 遇到计算符时，先将栈顶元素 pop 出来，再和下一个数字一起传入计算符的构造函数中，组成一个计算符公式压入栈中。

需要注意的是，入栈出栈过程并不会执行真正的计算，栈操作只是将表达式组装成一个嵌套的类对象而已。比如：

• “一加一”表达式，经过入栈出栈操作后，生成的对象是 new Add(new Number('一'), new Number('一'))
• “二加五减三”表达式，经过入栈出栈操作后，生成的对象是 new Sub(new Add(new Number('二'), new Number('五')), new Number('三'))

最后一步 stack.pop().intercept()，将栈顶的元素弹出，执行 intercept() ，这时才会执行真正的计算。计算时会将中文的数字和运算符分别解释成计算机能理解的指令。

测试类：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        Calculator calculator = new Calculator();
        String expression1 = "一加一";
        String expression2 = "一加一加一";
        String expression3 = "二加五减三";
        String expression4 = "七减五加四减一";
        String expression5 = "九减五加三减一";
        // 输出： 一加一 等于 2
        System.out.println(expression1 + " 等于 " + calculator.calculate(expression1));
        // 输出： 一加一加一 等于 3
        System.out.println(expression2 + " 等于 " + calculator.calculate(expression2));
        // 输出： 二加五减三 等于 4
        System.out.println(expression3 + " 等于 " + calculator.calculate(expression3));
        // 输出： 七减五加四减一 等于 5
        System.out.println(expression4 + " 等于 " + calculator.calculate(expression4));
        // 输出： 九减五加三减一 等于 6
        System.out.println(expression5 + " 等于 " + calculator.calculate(expression5));
    }
}

这就是解释器模式，我们将一句中文的公式解释给计算机，然后计算机为我们运算出了正确的结果。

分析本例中公式的组成，我们可以发现几条显而易见的性质：

• 数字类不可被拆分，属于计算中的最小单元；
• 加法类、减法类可以被拆分成两个数字（或两个公式）加一个计算符，他们不是计算的最小单元。

在解释器模式中，我们将不可拆分的最小单元称之为终结表达式，可以被拆分的表达式称之为非终结表达式。

解释器模式具有一定的拓展性，当需要添加其他计算符时，我们可以通过添加 Operator 的子类来完成。但添加后需要按照运算优先级修改计算规则。可见一个完整的解释器模式是非常复杂的，实际开发中几乎没有需要自定义解释器的情况。

解释器模式有一个常见的应用，在我们平时匹配字符串时，用到的正则表达式就是一个解释器。正则表达式中，表示一个字符的表达式属于终结表达式，除终结表达式外的所有表达式都属于非终结表达式。

迭代器模式

设想一个场景：我们有一个类中存在一个列表。这个列表需要提供给外部类访问，但我们不希望外部类修改其中的数据。

public class MyList {
    private List<String> data = Arrays.asList("a", "b", "c");
}

通常来说，将成员变量提供给外部类访问有两种方式：

• 将此列表设置为 public 变量；
• 添加 getData() 方法，返回此列表。

但这两种方式都有一个致命的缺点，它们无法保证外部类不修改其中的数据。外部类拿到 data 对象后，可以随意修改列表内部的元素，这会造成极大的安全隐患。

那么有什么更好的方式吗？使得外部类只能读取此列表中的数据，无法修改其中的任何数据，保证其安全性。

分析可知，我们可以通过提供两个方法实现此效果：

• 提供一个 String next() 方法，使得外部类可以按照次序，一条一条的读取数据；
• 提供一个 boolean hasNext() 方法，告知外部类是否还有下一条数据。

代码实现如下：

public class MyList {
    private List<String> data = Arrays.asList("a", "b", "c");
    private int index = 0;

    public String next() {
        // 返回数据后，将 index 加 1，使得下次访问时返回下一条数据
        return data.get(index++);
    }

    public boolean hasNext() {
        return index < data.size();
    }
}

客户端就可以使用一个 while 循环来访问此列表了：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        MyList list = new MyList();
        // 输出：abc
        while (list.hasNext()) {
            System.out.print(list.next());
        }
    }
}

由于没有给外部类暴露 data 成员变量，所以我们可以保证数据是安全的。

但这样的实现还有一个问题：当遍历完成后，hasNext() 方法就会一直返回 false，无法再一次遍历了，所以我们必须在一个合适的地方把 index 重置成 0。

在哪里重置比较合适呢？实际上，使用 next() 方法和 hasNext() 方法来遍历列表是一个完全通用的方法，我们可以为其创建一个接口，取名为 Iterator，Iterator 的意思是迭代器，迭代的意思是重复反馈，这里是指我们依次遍历列表中的元素。

public interface Iterator {

    boolean hasNext();

    String next();
}

然后在 MyList 类中，每次遍历时生成一个迭代器，将 index 变量放到迭代器中。由于每个迭代器都是新生成的，所以每次遍历时的 index 自然也就被重置成 0 了。代码如下：

public class MyList {
    private List<String> data = Arrays.asList("a", "b", "c");

    // 每次生成一个新的迭代器，用于遍历列表
    public Iterator iterator() {
        return new Itr();
    }

    private class Itr implements Iterator {
        private int index = 0;

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index < data.size();
        }

        @Override
        public String next() {
            return data.get(index++);
        }
    }
}

客户端访问此列表的代码修改如下：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        MyList list = new MyList();
        // 获取迭代器，用于遍历列表
        Iterator iterator = list.iterator();
        // 输出：abc
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next());
        }
    }
}

这就是迭代器模式，《设计模式》一书中将其定义如下：

迭代器模式（Iterator Pattern）：提供一种方法访问一个容器对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部细节。

迭代器模式的核心就在于定义出 next() 方法和 hasNext() 方法，让外部类使用这两个方法来遍历列表，以达到隐藏列表内部细节的目的。

事实上，Java 已经为我们内置了 Iterator 接口，源码中使用了泛型使得此接口更加的通用：

public interface Iterator<E> {
    boolean hasNext();
    E next();
}

并且，本例中使用的迭代器模式是仿照 ArrayList 的源码实现的，ArrayList 源码中使用迭代器模式的部分代码如下：

public class ArrayList<E> {
    ...
    
    public Iterator<E> iterator() {
        return new Itr();
    }
    
    private class Itr implements Iterator<E> {
        protected int limit = ArrayList.this.size;
        int cursor;
        
        public boolean hasNext() {
            return cursor < limit;
        }

        public E next() {
            ...
        }
    }
}

我们平时常用的 for-each 循环，也是迭代器模式的一种应用。在 Java 中，只要实现了 Iterable 接口的类，都被视为可迭代访问的。Iterable 中的核心方法只有一个，也就是刚才我们在 MyList 类中实现过的用于获取迭代器的 iterator() 方法：

public interface Iterable<T> {
    Iterator<T> iterator();
    ...
}

只要我们将 MyList 类修改为继承此接口，便可以使用 for-each 来迭代访问其中的数据了：

public class MyList implements Iterable<String> {
    private List<String> data = Arrays.asList("a", "b", "c");

    @NonNull
    @Override
    public Iterator<String> iterator() {
        // 每次生成一个新的迭代器，用于遍历列表
        return new Itr();
    }

    private class Itr implements Iterator<String> {
        private int index = 0;

        @Override
        public boolean hasNext() {
            return index < data.size();
        }

        @Override
        public String next() {
            return data.get(index++);
        }
    }
}

客户端使用 for-each 访问：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        MyList list = new MyList();
        // 输出：abc
        for (String item : list) {
            System.out.print(item);
        }
    }
}

这就是迭代器模式。基本上每种语言都会在语言层面为所有列表提供迭代器，我们只需要直接拿来用即可，这是一个比较简单又很常用的设计模式。

中介者模式

顾名思义，中介这个名字对我们来说实在太熟悉了。平时走在上班路上就会经常见到各种房产中介，他们的工作就是使得买家与卖家不需要直接打交道，只需要分别与中介打交道，就可以完成交易，用计算机术语来说就是减少了耦合度。

当类与类之间的关系呈现网状时，引入一个中介者，可以使类与类之间的关系变成星形。将每个类与多个类的耦合关系简化为每个类与中介者的耦合关系。

举个例子，在我们打麻将时，每两个人之间都可能存在输赢关系。如果每笔交易都由输家直接发给赢家，就会出现一种网状耦合关系。

我们用程序来模拟一下这个过程。

玩家类：

class Player {
    // 初始资金 100 元
    public int money = 100;

    public void win(Player player, int money) {
        // 输钱的人扣减相应的钱
        player.money -= money;
        // 自己的余额增加
        this.money += money;
    }
}

此类中有一个 money 变量，表示自己的余额。当自己赢了某位玩家的钱时，调用 win 方法修改输钱的人和自己的余额。

需要注意的是，我们不需要输钱的方法，因为在 win 方法中，已经将输钱的人对应余额扣除了。

客户端代码：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        Player player1 = new Player();
        Player player2 = new Player();
        Player player3 = new Player();
        Player player4 = new Player();
        // player1 赢了 player3 5 元
        player1.win(player3, 5);
        // player2 赢了 player1 10 元
        player2.win(player1, 10);
        // player2 赢了 player4 10 元
        player2.win(player4, 10);
        // player4 赢了 player3 7 元
        player4.win(player3, 7);

        // 输出：四人剩余的钱：105,120,88,97
        System.out.println("四人剩余的钱：" + player1.money + "," + player2.money + "," + player3.money + "," + player4.money);
    }
}

在客户端中，每两位玩家需要进行交易时，都会增加程序耦合度，相当于每位玩家都需要和其他所有玩家打交道，这是一种不好的做法。

此时，我们可以引入一个中介类 —— 微信群，只要输家将自己输的钱发到微信群里，赢家从微信群中领取对应金额即可。网状的耦合结构就变成了星形结构：

此时，微信群就充当了一个中介者的角色，由它来负责与所有人进行交易，每个玩家只需要与微信群打交道即可。

微信群类：

class Group {
    public int money;
}

此类中只有一个 money 变量表示群内的余额。

玩家类修改如下：

class Player {
    public int money = 100;
    public Group group;

    public Player(Group group) {
        this.group = group;
    }

    public void change(int money) {
        // 输了钱将钱发到群里 或 在群里领取自己赢的钱
        group.money += money;
        // 自己的余额改变
        this.money += money;
    }
}

玩家类中新增了一个构造方法，在构造方法中将中介者传进来。每当自己有输赢时，只需要将钱发到群里或者在群里领取自己赢的钱，然后修改自己的余额即可。

客户端代码对应修改如下：

public class Client {
    @Test
    public void test(){
        Group group = new Group();
        Player player1 = new Player(group);
        Player player2 = new Player(group);
        Player player3 = new Player(group);
        Player player4 = new Player(group);
        // player1 赢了 5 元
        player1.change(5);
        // player2 赢了 20 元
        player2.change(20);
        // player3 输了 12 元
        player3.change(-12);
        // player4 输了 3 元
        player4.change(-3);

        // 输出：四人剩余的钱：105,120,88,97
        System.out.println("四人剩余的钱：" + player1.money + "," + player2.money + "," + player3.money + "," + player4.money);
    }
}

可以看到，通过引入中介者，客户端的代码变得更加清晰了。大家不需要再互相打交道，所有交易通过中介者完成即可。

事实上，这段代码还存在一点不足。因为我们忽略了一个前提：微信群里的钱不可以为负数。也就是说，输家必须先将钱发到微信群内，赢家才能去微信群里领钱。这个功能可以用我们在 Java 多线程王国奇遇记 中学到的 wait/notify 机制完成，与中介者模式无关，故这里不再给出相关代码，感兴趣的读者可以自行实现。

总而言之，中介者模式就是用于将类与类之间的多对多关系简化成多对一、一对多关系的设计模式，它的定义如下：

中介者模式（Mediator Pattern）：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。

中介者模式的缺点也很明显：由于它将所有的职责都移到了中介者类中，也就是说中介类需要处理所有类之间的协调工作，这可能会使中介者演变成一个超级类。所以使用中介者模式时需要权衡利弊。

备忘录模式

备忘录模式最常见的实现就是游戏中的存档、读档功能，通过存档、读档，使得我们可以随时恢复到之前的状态。

当我们在玩游戏时，打大 Boss 之前，通常会将自己的游戏进度存档保存，以保证自己打不过 Boss 的话，还能重新读档恢复状态。

玩家类：

class Player {
    // 生命值
    private int life = 100;
    // 魔法值
    private int magic = 100;

    public void fightBoss() {
        life -= 100;
        magic -= 100;
        if (life <= 0) {
            System.out.println("壮烈牺牲");
        }
    }

    public int getLife() {
        return life;
    }

    public void setLife(int life) {
        this.life = life;
    }

    public int getMagic() {
        return magic;
    }

    public void setMagic(int magic) {
        this.magic = magic;
    }
}

我们为玩家定义了两个属性：生命值和魔法值。其中有一个 fightBoss() 方法，每次打 Boss 都会扣减 100 点体力、100 点魔法值。如果生命值小于等于 0，则提示用户已“壮烈牺牲”。

客户端实现如下：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        Player player = new Player();
        // 存档
        int savedLife = player.getLife();
        int savedMagic = player.getMagic();

        // 打 Boss，打不过，壮烈牺牲
        player.fightBoss();

        // 读档，恢复到打 Boss 之前的状态
        player.setLife(savedLife);
        player.setMagic(savedMagic);
    }
}

客户端中，我们在 fightBoss() 之前，先去存档，把自己当前的生命值和魔法值保存起来。打完 Boss 发现自己牺牲之后，再回去读档，将自己恢复到打 Boss 之前的状态。

这就是备忘录模式…吗？不完全是，事情并没有这么简单。

还记得我们在 原型模式 中，买的那杯和周杰伦一模一样的奶茶吗？开始时，为了克隆一杯奶茶，我们将奶茶的各个属性分别赋值成和周杰伦买的那杯奶茶一样。但这样存在一个弊端：我们不可能为一千个粉丝写一千份挨个赋值操作。所以最终我们在奶茶类内部实现了 Cloneable 接口，定义了 clone() 方法，来实现一行代码拷贝所有属性。

备忘录模式也应该采取类似的做法。我们不应该采用将单个属性挨个存取的方式来进行读档、存档。更好的做法是将存档、读档交给需要存档的类内部去实现。

新建备忘录类：

class Memento {
    int life;
    int magic;

    Memento(int life, int magic) {
        this.life = life;
        this.magic = magic;
    }
}

在此类中，管理需要存档的数据。

玩家类中，通过备忘录类实现存档、读档：

class Player {
    ...

    // 存档
    public Memento saveState() {
        return new Memento(life, magic);
    }

    // 读档
    public void restoreState(Memento memento) {
        this.life = memento.life;
        this.magic = memento.magic;
    }
}

客户端类对应修改如下：

public class Client {
    @Test
    public void test() {
        Player player = new Player();
        // 存档
        Memento memento = player.saveState();

        // 打 Boss，打不过，壮烈牺牲
        player.fightBoss();

        // 读档
        player.restoreState(memento);
    }
}

这才是完整的备忘录模式。这个设计模式的定义如下：

备忘录模式：在不破坏封装的条件下，通过备忘录对象存储另外一个对象内部状态的快照，在将来合适的时候把这个对象还原到存储起来的状态。

备忘录模式的优点是：

• 给用户提供了一种可以恢复状态的机制，使用户能够比较方便的回到某个历史的状态
• 实现了信息的封装，使得用户不需要关心状态的保存细节

缺点是：

• 消耗资源，如果类的成员变量过多，势必会占用比较大的资源，而且每一次保存都会消耗一定的内存。

总体而言，备忘录模式是利大于弊的，所以许多程序都为用户提供了备份方案。比如 IDE 中，用户可以将自己的设置导出成 zip，当需要恢复设置时，再将导出的 zip 文件导入即可。这个功能内部的原理就是备忘录模式。

Ok，今天的设计模式就学到这里，剩下的几个设计模式我们在下一篇文章中学习。