HIT-SC-Chapter Eleven

Design Patterns for Reuse and
Maintainability
面向可复用性和可维护性的设计模式

1 Creational patterns

Factory Method pattern

Factory Method

Also known as “Virtual Constructor” 虚拟构造器
目的：
- 为创建对象定义一个接口，让子类决定初始化哪个类
- 工厂化模式将类初始化延伸至子类。
When should we use Factory Method? ---- When a class:
- 当client不知道要创建哪个具体类的实例，或者不想在client代码中指明要具体创建的实例时，用工厂方法。
- 定义一个用于创建对象的接口，让其子类来决定实例化哪一个类，从而使一个类的实例化延迟到其子类。
- 常规情况下，client直接创建具体对象 Product p = new ProductTwo();
- 在工厂方法模式下:Product p = new ConcreteTwo().makeObject();
- Client需要在程序中直接实例化具体实现类，不是面向接口编程。
- Client使用“工厂方法”来创建实例，得到实例的类型是抽象接口而非具体类
- 静态工厂方法既可以在ADT内部实现，也可以构造单独的工厂类
优点：
- 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体
  创建过程；
- 在系统增加新的产品时只需要添加具体产品类和对应的具体工厂类，无须对
  原工厂进行任何修改，满足开闭原则；
缺点
- 每增加一个产品就要增加一个具体产品类和一个对应的具体工厂类，这增加
  了系统的复杂度
？？？

2 Structural patterns

(1) Adapter

加个“适配器”以便于复用

Adapter模式的意图：
- 将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。
- 使原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。
- 适配器模式分为类结构型模式和对象结构型模式两种
  - 前者类之间的耦合度比后者高，且要求程序员了解现有组件库中的相关组件的内部结构，所以应用相对较少些。
优缺点：

Adapter Pattern 适配器模式

意图：将类的接口转换为客户端期望的另一个接口
将某个类/接口转换为client期望的其他形式
- 解决类之间接口不兼容的问题
- 为已有的类提供新的接口
- 适配器允许由于接口不兼容而无法正常工作的类协同工作
- 通过增加一个接口，将已存在的子类封装起来，client面向接口编程，从而隐藏了具体子类。
- to reuse an old component to a new system
目标：对旧的不兼容组件进行包装，在新系统中使用旧的组件
采用继承或Delegation，加个“适配器”以便于复用

(2) Decorator

指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式，它属于对象结构型模式。
- 采用装饰模式扩展对象的功能比采用继承方式更加灵活。
- 可以设计出多个不同的具体装饰类，创造出多个不同行为的组合。
装饰模式增加了许多子类，如果过度使用会使程序变得很复杂。

装饰模式的结构与实现

通常情况下，扩展一个类的功能会使用继承方式来实现。但继承具有静态特征，耦合度高，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。如果使用组合关系来创建一个包装对象（即装饰对象）来包裹真实对象，并在保持真实对象的类结构不变的前提下，为其提供额外的功能，这就是装饰模式的目标。下面来分析其基本结构和实现方法。

模式的结构

装饰模式主要包含以下角色。
- –抽象构件（Component）角色：
  - 定义一个抽象接口以规范准备接收附加责任的对象。
- 具体构件（Concrete Component）角色：
  - 实现抽象构件，通过装饰角色为其添加一些职责。
- 抽象装饰（Decorator）角色：抽象类
  - 继承抽象构件，并包含具体构件的实例，可以通过其子类扩展具体构件的功能。
- 具体装饰（ConcreteDecorator）角色：
  - 实现抽象装饰的相关方法，并给具体构件对象添加附加的责任。

模式的实现

Motivating example of Decorator pattern

问题: 需要对对象进行任意或者动态的扩展组合
方案: 实现一个通用接口作为要扩展的对象，将主要功能委托给基础对象(stack)，然后添加功能(undo,secure,..)。
- 以递归的方式实现
- 比静态继承更灵活可定制的内聚扩展
- 装饰器同时使用子类型和委托
Component接口定义了操作，或者装饰器可以执行的公共操作
ConcreteComponent类是你可以动态添加特性的初始对象。您将首先创建这个对象并向其添加特性
Decorator类是一个抽象类，是所有Decorator的父类。虽然它实现了Component接口来定义操作，但它也包含一个受保护的变量Component，该变量指向要装饰的对象。
- The component variable is simply assigned in the constructor.
ConcreteDecorator类是能够添加特性的实际装饰类。你可以有任意多的ConcreteDecorator类，每个类都代表一个可以添加的特性。

Decorator vs. Inheritance

Decorator在运行时合成特性
- 继承在编译时组合特性
装饰器由多个协作对象组成
- 继承生成一个类型明确的对象
可以混搭多种装饰
- 多重继承在概念上很困难

Decorators from java.util.Collections

Turn a mutable list into an immutable list:
- static List unmodifiableList(List lst);
- static Set unmodifiableSet( Set set);
- static Map<K,V> unmodifiableMap( Map<K,V> map);
Similar for synchronization:
- static List synchronizedList(List lst);
- static Set synchronizedSet( Set set);
- static Map<K,V> synchronizedMap( Map<K,V> map);

3 Behavioral patterns

(1) Strategy

整体地替换算法

Strategy Pattern

问题:
- 对于特定的任务存在不同的算法，但是客户端可以在运行时根据动态上下文在算法之间切换。
示例:对客户列表排序(冒泡排序、合并排序、快速排序)
定义一个算法的接口，每个算法用一个类来实现，客户端针对接口编写程序。
- 易于扩展的新算法实现
- 从客户端上下文分离算法
整体地替换算法

(2) Template Method

模板方法模式

Problem:
- 不同的客户端具有相同的算法步骤，但是每个步骤的具体实现不同。
示例:
- —执行测试用例的测试套件
- —打开、读取、写入不同类型的文档
Solution：
– The common steps of the algorithm are factored out into an abstract class, with abstract (unimplemented) primitive operations representing the customizable parts of the algorithm.在父类中定义通用逻辑和各步骤的抽象方法声明
– Subclasses provide different realizations for each of these steps.子类中进行各步骤的具体实现

模板方法模式适用性

在父类声明一个通用逻辑
模板模式用继承+重写的方式实现算法的不同部分
- 策略模式用委托机制实现不同完整算法的调用(接口+多态)
Template Method is widely used in frameworks

(4) Visitor Pattern

对特定类型的object的特定操作(visit)，在运行时将二者动态绑定到一起，该操作可以灵活更改，无需更改被visit的类
- 访问者模式实际做的是创建一个使用其他类中数据的外部类。
- 如果操作逻辑发生变化，那么我们只需要在visitor实现中进行更改，而不是在所有的item类中进行更改。
本质上：将数据和作用于数据上的某种/些特定操作分离开来。
为ADT预留一个将来可扩展功能的“接入点”，外部实现的功能代码可以在不改变ADT本身的情况下通过delegation接入ADT。

Visitor vs Iterator

迭代器：
- 以遍历的方式访问集合数据而无需暴露其内部表示，将“遍历”这项功能delegate到外部的iterator对象。
Visitors:
- 特定ADT上执行某种特定操作，但该操作不在ADT内部实现，而是delegate到独立的visitor对象，客户端可灵活扩展/改变visitor的操作算法，而不影响ADT

Strategy vs visitor

二者都是通过delegation建立两个对象的动态联系
- 但是Visitor强调是的外部定义某种对ADT的操作，该操作于ADT自身关系不大（只是访问ADT），故ADT内部只需要开放accept(visitor)即可，client通过它设定visitor操作并在外部调用。
- 而Strategy则强调是对ADT内部某些要实现的功能的相应算法的灵活替换。这些算法是ADT功能的重要组成部分，只不过是delegate到外部strategy类而已。
visitor是站在外部client的角度，灵活增加对ADT的各种不同操作（哪怕ADT没实现该操作），strategy则是站在内部ADT的角度，灵活变化对其内部功能的不同配置。