Design Pattern Introduction and Practice

Design Pattern Practice
1．序
本文从一个简单的多列排序的例子入手，由浅入深地讲解Design Pattern（设计模式）的目的、分析和实践。
文中的例子用到Compositor Pattern和Proxy Pattern ( or Decorator Pattern)。 (also, Simple Visitor, Functor)
同时，文中的例子也提供了一类问题（条件组合问题）的解决方案。

2．问题的引入
Design Pattern（设计模式）的目标是，把共通问题中的不变部分和变化部分分离出来。不变的部分，就构成了Design Pattern（设计模式）。这一点和Framework（框架）有些象。
下面举个排序的例子，说明如何抽取问题中的不变部分。
假设一个Java类Record有field1，field2，field3等字段。

java代码:

public class Record { public int field1; public long field2; public double filed3; };

我们还有一个Record对象的数组Record[] records。我们需要对这个数组按照不同的条件排序。
首先，按照field1的大小从小到大进行升序排序。
排序函数如下：

java代码:

void sort (Record [ ] records ) { for ( int i =…. ) { for ( int j=…. ) { if (records [i ]. field1 > records [j ]. field1 ) // swap records[i] and records[j] } } }

其次，按照field2的大小从小到大进行升序排序。

java代码:

void sort (Record [ ] records ) { for ( int i =…. ) { for ( int j=…. ) { if (records [i ]. field2 > records [j ]. field2 ) // swap records[i] and records[j] } } }

再次，按照field3的大小从小到大进行升序排序。
这种要求太多了，我们写了太多的重复代码。我们可以看到，问题的变化部分，只有判断条件部分（黑体的if条件判断语句）。
我们可以引入一个Comparator接口，把这个变化的部分抽取出来。

java代码:

public interface Comparator ( ) { public boolean greaterThan (Record a, Record b ); }; sort函数就可以这样写（把判断条件作为参数）： void sort (Record [ ] records, Comparator compare ) { for ( int i =…. ) { for ( int j=…. ) { if (compare. greaterThen (records [i ], records [j ] ) ) // swap records[i] and records[j] } } }

这样，对应第一个要求——对records数组按照field1的大小排序。
我们可以做一个实现Comparator接口的CompareByField1类。

java代码:

public class CompareByField1 implements Comparator { public boolean greaterThan (Record a, Record b ) { if (a. filed1 > b. filed1 ) { return ture; } return false; } }

sort函数的调用为：sort(records, new CompareByField1());

这样，对应第一个要求——对records数组按照field2的大小排序。
我们可以做一个实现Comparator接口的CompareByField2类。

java代码:

public class CompareByField2 implements Comparator { public boolean greaterThan (Record a, Record b ) { if (a. filed2 > b. filed2 ) { return ture; } return false; } }

sort函数的调用为：sort(records, new CompareByField2());
按照C++ STL的叫法，这里的sort称为算法（Algorithm），records称为容器（集合），Comparator称为函数对象（Function Object）。

JDK的java.util.Collections类的sort方法和java.util.Comparator接口就是按照这样的思路设计的。下面我们来看看如何应用sort和Comparator解决多列排序问题。

3．多列排序问题
3.1排序条件的数量
我们知道，SQL语句能够实现强大的排序功能，能够按照不同字段的排列进行排序，也能够按照升序，降序排序。比如下面的语句。
order by field1 asc, field2 asc, field3 desc。

这个排序条件按照field1的升序，field2的升序，field3的降序排序。
注意，排在前面的字段具有较高的优先级。
比如，两条纪录A和B，满足如下条件：（1）A.field1 > B.field1，（2）A.field2 < B.field2。
这时如果按照order by field1, field2语句排序，那么 A > B。
如果上述条件中的（1）A.field1 > B.field1变化为A.field1 == B.field1。这时，条件（2）就会起作用。这时，A < B。

我们来看看在Java中如何实现这种灵活而强大的排序。
我们还是以上一节的Record类为例。Record类有3个字段，我们来看一看，有多少种可能的排序条件。
（1）按field1排序。（2）按field2排序。（3）按field3排序。（4）按field1，field2排序。（5）按field1升序，按field2降序排序…...

各种排序条件的排列组合，大概共有30种。而且，随着字段个数的增长，排序条件的个数呈幂级数的增长。
按照上一节的sort和Comparator方法，如果我们需要达到按照任意条件进行排序的目的，那么我们需要为每一个排序条件提供一个Comparator，我们需要30个Comparator类。
当然，我们不会这么做，我们能够进一步提取这个问题中的相同重复部分，优化我们的解决方案。

3.2 问题分析
我们来分析这个问题中变化的部分和不变的部分。
上面所有的排序条件中，不变的部分有3部分：（1）A.field1和B.field1的比较，（2）A.field2和B.field2的比较，（3） A.field3和B.field3的比较；变化的部分有两部分，（1）这三种比较条件的任意组合排列，（2）升序和降序。
根据这段分析，我们引入两个类，ReverseComparator类和CompositeComparator类。
CompositeComparator类用来解决字段的组合排列问题。
ReverseComparator类用来解决字段的升序、降序问题。

3.3 ReverseComparator类的代码

java代码:

import java. util. Comparator; public class ReverseComparator implements Comparator { /** the original comparator*/ private Comparator originalComparator = null; /** constructor takes a comparator as parameter */ public ReverseComparator ( Comparator comparator ) { originalComparator = comparator; } /** reverse the result of the original comparator */ public int compare ( Object o1, Object o2 ) { return - originalComparator. compare (o1, o2 ); } }

3.4 CompositeComparator类的代码

java代码:

import java. util. Comparator; import java. util. Iterator; import java. util. List; import java. util. LinkedList; public class CompositeComparator implements Comparator { /** in the condition list, comparators' priority decrease from head to tail */ private List comparators = new LinkedList ( ); /** get the comparators, you can manipulate it as need.*/ public List getComparators ( ) { return comparators; } /** add a batch of comparators to the condition list */ public void addComparators ( Comparator [ ] comparatorArray ) { if (comparatorArray == null ) { return; } for ( int i = 0; i < comparatorArray. length; i++ ) { comparators. add (comparatorArray [i ] ); } } /** compare by the priority */ public int compare ( Object o1, Object o2 ) { for ( Iterator iterator = comparators. iterator ( ); iterator. hasNext ( ); ) { Comparator comparator = ( Comparator )iterator. next ( ); int result = comparator. compare (o1, o2 ); if (result != 0 ) { return result; } } return 0; } }

3.5 Comparator的组合应用
这一节讲述上面两个类的用法。
对应前面的排序问题，我们只需要3个Comparator类：
（1）Field1Comaprator；
（2）Field2Comaprator；
（3）Field3Comaprator。

下面举例说明，如何组合这些Comparator实现不同的排序条件。
（1）order by field1, field2

java代码:

CompoiComparator myComparator = new CompoiComparator ( ); myComparator. addComparators ( new Comparator [ ] { new Field1Comaprator ( ), new Field2Comaprator ( ) }; ); // records is a list of Record Collections. sort (records, myComparator );

（2）order by field1 desc, field2

java代码:

CompoiComparator myComparator = new CompoiComparator ( ); myComparator. addComparators ( new Comparator [ ] { new ReverseComparator ( new Field1Comaprator ( ) ), new Field2Comaprator ( ) }; ); // records is a list of Record Collections. sort (records, myComparator );

这里提供的ReverseComparator类和CompositeComparator类都采用了Decorator Pattern。
CompositeComparator类同时也是Composite Pattern。

4．过滤条件的排列组合
(多谢shinwell指正，我改正了后面的代码)

过滤条件问题也属于条件组合问题的范畴。比如JDK提供的java.io.File类提供了一个文件过滤方法listFile (FileFilter)，用户可以定制不同的FileFilter，实现不同的过滤条件，比如文件时间在某个范围内；文件后缀名，文件名符合某种模式； 是目录，还是文件，等等。
同样，我们可以应用上述的解决方法，实现灵活的过滤条件组合——用一个CompositeFilter类任意组合过滤条件，用一个ReverseFilter类作为排除条件。
4.1 CompositeFilter类的代码

java代码:

import java. io. FileFilter; import java. io. File; import java. util. Iterator; import java. util. List; import java. util. LinkedList; public class CompositeFilter implements FileFilter { /** in the filter list, every condition should be met. */ private List filters = new LinkedList ( ); /** get the filters, you can manipulate it as need.*/ public List getFilters ( ) { return filters; } /** add a batch of filters to the condition list */ public void addFilters ( FileFilter [ ] filterArray ) { if (filterArray == null ) { return; } for ( int i = 0; i < filterArray. length; i++ ) { filters. add (filterArray [i ] ); } } /** must meet all the filter condition */ public boolean accept ( File pathname ) { for ( Iterator iterator = filters. iterator ( ); iterator. hasNext ( ); ) { FileFilter filter = ( FileFilter )iterator. next ( ); boolean result = filter. accept (pathname ); // if any condition can not be met, return false. if (result == false ) { return false; } } // all conditions are met, return true. return true; } }

4.2 ReverseFilter类的代码

java代码:

import java. io. FileFilter; import java. io. File; public class ReverseFilter implements FileFilter { /** the original filter*/ private FileFilter originalFilter = null; /** constructor takes a filter as parameter */ public ReverseFilter ( FileFilter filter ) { originalFilter = filter; } /** must meet all the filter condition */ public boolean accept ( File pathname ) { return !originalFilter. accept (pathname ); } }

5．总结
本文讲述了Design Pattern的分析和实践，并阐述了一类条件组合问题的解决思路。