我的Design Pattern之旅[1]：Strategy Pattern (OO) (Design Pattern) (C/C++) (template) (.NET) (C#)

Abstract
Head First Design Patterns是用strategy pattern當作第一個範例，而陳俊杉教授也是用strategy當作授課的第一個pattern，可見strategy的確適合初學者學第一個學習的pattern。

Intent
定義一整族演算法，將每一個演算法封裝起來，可互換使用，更可以在不影響外界的情況下各別抽換所引用的演算法。

其UML表示法

GoF說strategy也稱為policy，我個人喜歡稱它為plugin，因為可以動態的換演算法，如同在eclipse上可以動態的換plugin一樣。

原本在單一class中有一個單一method很單純，如圖Grapher class只有drawShape()這個method，只能畫方形。



但後來『需求改變』，希望Grapher也能畫三角形和圓形，而且日後還可能增加功能，如畫橢圓形，菱形...，當然可以在Grapher陸續加上drawTriangle()，drawCircle()，drawEllipse()，但如此就違反OCP，Grapher須不斷的修改，根據DP第三守則"Identify the aspects of your application that vary and separate them from  what you stays the same"，將『會變』的部份另外包成class，但這些class必須要和原來的class溝通，所以必須訂出『標準』彼此才能溝通，IShape就是彼此溝通的標準，Triangle，Circle，Square則必須實做IShape這個interface，這就是strategy pattern。


我們看看這個架構，若日後還有新的shape加入，Grapher，IShape，Triangle，Circle，Square皆不用修改，符合OCP的closed for modification原則，若要加入新的class，只需實做IShape即可，符合OCP的open for extension原則，所以是非常好維護的架構，事實上，.NET Framework和STL都用了很多strategy pattern。

簡言之，strategy pattern就是將會變動的member function用class包起來，變成object『掛』在原本的class上。

ISO C++ by Interface

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_Classic.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use Strategy Pattern
 7Release     : 03/26/2007 1.0
 8              07/10/2007 2.0
 9*/
10 #include  < iostream >
11 using   namespace  std;
12
13 class  IDrawStrategy  {
14public:
15  virtual void draw() const = 0;
16} ;
17
18 class  Grapher  {
19public:
20  Grapher(IDrawStrategy* drawStrategy = 0) : _drawStrategy(drawStrategy) {}
21  
22public:
23  void drawShape() const;
24  void setShape(IDrawStrategy* drawStrategy);
25  
26protected:
27  IDrawStrategy* _drawStrategy;
28} ;
29
30 void  Grapher::drawShape()  const   {
31  if (_drawStrategy)
32      _drawStrategy->draw();
33}
34
35 void  Grapher::setShape(IDrawStrategy *  drawStrategy)  {
36  _drawStrategy = drawStrategy;
37}
38
39 class  Triangle :  public  IDrawStrategy  {
40public:
41  void draw() const;
42} ;
43
44 void  Triangle::draw()  const   {
45  cout << "Draw Triangle" << endl;
46}
47
48 class  Circle :  public  IDrawStrategy  {
49public:
50  void draw() const;
51} ;
52
53 void  Circle::draw()  const   {
54  cout << "Draw Circle" << endl;
55}
56
57 class  Square :  public  IDrawStrategy  {
58public:
59  void draw() const;
60} ;
61
62 void  Square::draw()  const   {
63  cout << "Draw Square" << endl;
64}
65
66 int  main()  {
67  Grapher grapher(&Square());
68  grapher.drawShape();
69  
70  grapher.setShape(&Circle());
71  grapher.drawShape();
72}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

67行和70行可以看到strategy pattern的美，可以動態的換演算法，如同plugin一樣，且若將來擴充其他shape，只需加上新的class實做IDrawStrategy，其他程式都不用再改，符合OCP原則。

C# by Interface

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_Classic.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to implement Strategy Pattern by C#
 7Release     : 07/08/2007 1.0
 8*/
 9 using  System;
10
11 interface  IDrawStrategy  {
12  void draw();
13}
14
15 class  Grapher  {
16  private IDrawStrategy _drawStrategy = null;
17
18  public Grapher() {}
19  public Grapher(IDrawStrategy drawStrategy) {
20    _drawStrategy = drawStrategy;
21  }
22
23  public void drawShape() {
24    if (_drawStrategy != null)
25      _drawStrategy.draw();
26  }
27
28  public void setShape(IDrawStrategy drawStrategy) {
29    _drawStrategy = drawStrategy;
30  }
31}
32
33 class  Triangle : IDrawStrategy  {
34  public void draw() {
35    Console.WriteLine("Draw Triangle");
36  }
37}
38
39 class  Circle : IDrawStrategy  {
40  public void draw() {
41    Console.WriteLine("Draw Circle");
42  }
43}
44
45 class  Square : IDrawStrategy  {
46  public void draw() {
47    Console.WriteLine("Draw Square");
48  }
49}
50
51 class  Program  {
52  public static void Main() {
53    Grapher grapher = new Grapher(new Square());
54    grapher.drawShape();
55
56    grapher.setShape(new Circle());
57    grapher.drawShape();
58  }
59}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

使用interface是最正規的OOP寫法，另外Effective C++的item 35也使用了function pointer來實做strategy pattern，function pointer是C/C++的獨門寫法。

ISO C++ by Function Pointer

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_FunctionPointer.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use Strategy Pattern by function pointer
 7Release     : 03/31/2007 1.0
 8            : 07/08/2007 2.0
 9            : 07/10/2007 3.0
10*/
11 #include  < iostream >
12
13 using   namespace  std;
14
15 class  Grapher  {
16public:
17  typedef void (*pfDraw)();
18  Grapher(pfDraw draw = 0) : _draw(draw) {}
19  
20public:
21  void drawShape() const;
22  void setShape(pfDraw draw);
23  
24protected:
25  pfDraw _draw;
26} ;
27
28 void  Grapher::drawShape()  const   {
29  if (_draw)
30    _draw();
31}
32
33 void  Grapher::setShape(pfDraw draw)  {
34  _draw = draw;
35}
36
37 class  Triangle  {
38public:
39  static void draw();
40} ;
41
42 void  Triangle::draw()  {
43  cout << "Draw Triangle" << endl;
44}
45
46 class  Circle  {
47public:
48  static void draw();
49} ;
50
51 void  Circle::draw()  {
52  cout << "Draw Circle" << endl;
53}
54
55 class  Square  {
56public:
57  static void draw();
58} ;
59
60 void  Square::draw()  {
61  cout << "Draw Square" << endl;
62}
63
64 int  main()  {
65  Grapher grapher(Square::draw);
66  grapher.drawShape();
67  
68  grapher.setShape(Circle::draw);
69  grapher.drawShape();
70}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

說穿了，本來只是本來由interface定義function的signature，現在改由16行的

typedef  void  ( * pfDraw)();

定義pfDraw這個function pointer型別，所有要傳進的的function必須符合這個function pointer型別才可。

既然ISO C++可以用function pointer實現strategy pattern，就讓我想到C#的delegate了。delegate是C#對function pointer和observer pattern的實現，理應可用delegate來實現strategy pattern。

C# by Delegate

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_Delegate.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to implement Strategy Pattern by C# delegate
 7Release     : 07/08/2007 1.0
 8*/
 9 using  System;
10
11 class  Grapher  {
12  private DrawDelegate _drawDelegate = null;
13  
14  public delegate void DrawDelegate();
15  
16  public Grapher() {}
17  public Grapher(DrawDelegate drawDelegate) {
18    _drawDelegate = drawDelegate;
19  }
20  
21  public void drawShape() {
22    if (_drawDelegate != null)
23      _drawDelegate();
24  }
25  
26  public void setShape(DrawDelegate drawDelegate) {
27    _drawDelegate = drawDelegate;
28  }
29}
30
31 class  Triangle  {
32  public static void draw() {
33    Console.WriteLine("Draw Triangle");
34  }
35}
36
37 class  Circle  {
38  public static void draw() {
39    Console.WriteLine("Draw Circle");
40  }
41}
42
43 class  Square  {
44  public static void draw() {
45    Console.WriteLine("Draw Square");
46  }
47}
48
49 class  Program  {
50  public static void Main() {
51    Grapher grapher = new Grapher(Square.draw);
52    grapher.drawShape();
53    
54    grapher.setShape(Circle.draw);
55    grapher.drawShape();
56  }
57}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

除此之外，GoF的Design Pattern也展示了使用template實做Strategy Pattern。

ISO C++ by Template

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_template.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use Strategy Pattern by template
 7Release     : 03/31/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < iostream >
10
11 using   namespace  std;
12
13 template  < typename T >
14 class  Grapher  {
15private:
16  T _drawTemplate;
17
18public:
19  void drawShape() const;
20} ;
21
22 template < typename T >
23 void  Grapher < T > ::drawShape()  const   {
24  _drawTemplate.draw();
25}
26
27 class  Triangle  {
28public:
29  void draw() const;
30} ;
31
32 void  Triangle::draw()  const   {
33  cout << "Draw Triangle" << endl;
34}
35
36 class  Circle  {
37public:
38  void draw() const;
39} ;
40
41 void  Circle::draw()  const   {
42  cout << "Draw Circle" << endl;
43}
44
45 class  Square  {
46public:
47  void draw() const;
48} ;
49
50 void  Square::draw()  const   {
51  cout << "Draw Square" << endl;
52}
53
54 int  main()  {
55  Grapher<Square> grapher;
56  grapher.drawShape();
57  
58  Grapher<Circle> grapher2;
59  grapher2.drawShape();
60}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

同樣是實現多型，Design Pattern的用的是OOP的interface + dynamic binding技術，這是在run-time下完成，優點是在run-time動態改變，缺點是速度較慢；GP用template技術，這是在compile-time下完成，優點是速度較快，缺點是無法在run-time動態改變，由於template方式不需interface，所以整個程式看不到interface，也由於無法run-time改變，所以沒有setShape()，而16行的

T _drawTemplate;

也只是object而非pointer，因為不需run-time的多型，也非function pointer。

46行

Grapher < Square >  grapher;

也只能在直接指定strategy，無法動態再改變。

C# 2.0也提供泛型了，所以C#也可以用Generics實現Strategy Pattern。

C# by Generics

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : DP_StrategyPattern_Generics.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to implement Strategy Pattern by C# Generics
 7Release     : 07/08/2007 1.0
 8*/
 9 using  System;
10
11 interface  IDrawStrategy  {
12  void draw();
13}
14
15 class  Grapher < T >  where T :  class , IDrawStrategy,  new ()  {
16  private T _drawStrategy = default(T);
17
18  public Grapher() {
19    _drawStrategy = new T();
20  }
21
22  public void drawShape() {
23    if (_drawStrategy != null)
24      _drawStrategy.draw();
25  }
26
27  public void setShape(T drawStrategy) {
28    _drawStrategy = drawStrategy;
29  }
30}
31
32 class  Triangle : IDrawStrategy  {
33  public void draw() {
34    Console.WriteLine("Draw Triangle");
35  }
36}
37
38 class  Circle : IDrawStrategy  {
39  public void draw() {
40    Console.WriteLine("Draw Circle");
41  }
42}
43
44 class  Square : IDrawStrategy  {
45  public void draw() {
46    Console.WriteLine("Draw Square");
47  }
48}
49
50 class  Program  {
51  public static void Main() {
52    Grapher<Square> grapher = new Grapher<Square>();
53    grapher.drawShape();
54    
55    Grapher<Circle> grapher2 = new Grapher<Circle>();
56    grapher2.drawShape();
57  }
58}

執行結果

Draw Square
Draw Circle

Remark
strategy和template method目的相同，皆對『新需求』的不同演算法提供『擴充』的機制，但手法卻不同，strategy採用object的方式，利用delegation改變演算法，而template method則採用class的繼承方式來改變演算法，也因為strategy採用object方式，所以有run-time改變的可能，但template method採class手法，所以無法run-time改變。

GoF的原文如下

Template methods use inheritance to vary part of an algorithm. Strategies use delegation to vary the entire algorithm.

Known Use
1.eclipse的plugin，可以在不修改eclipse原始碼下，外掛plugin變更eclipse所提供的功能。

See Also
(原創) 我的Design Pattern之旅[2]：Template Method Pattern (OO) (Design Pattern) (C/C++)
(原創) 我的Design Pattern之旅[3]：使用template改進Strategy Pattern (OO) (Design Pattern) (C/C++) (template)

Reference
GoF，Design Patterns，Addison Weseley Longman，1995
A. Shalloway，J. R. Trott，Design Patterns Explained 2/e，Addison Wesley， 2005
Eric Freeman，Elisabeth Freeman，Head First Design Pattern，O'Reilly，2004
Robert C. Martin，Agile Software Development，Pearson Prentice Hall， 2002
Scott Meyers，Effective C++ 3/e Item 35，Addison Wesley， 2005