策略模式-定义一个算法族

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本篇来介绍策略模式（Strategy Design Pattern）。

假设我们要为动物进行建模，比如狗，猪，兔子等，每种动物的能力是不同的。

1，使用继承

首先你可能想到用继承的方式来实现，所以我们编写了下面这个 Animal 类：

abstract class Animal {
    public void run() {
        System.out.println("I can run.");
    }

    public void drinkWater() {
        System.out.println("I can drink water.");
    }

    protected abstract String type();
}

Animal 是一个抽象类，其中包括了动物的能力，每种能力用一个方法表示：

run：奔跑能力。
drinkWater：喝水能力。
type：返回动物的种类，比如“狗”，“兔子”。这是一个抽象方法，子类要去实现。

然后我们编写 Dog，Pig 和 Rabbit：

class Dog extends Animal {
    public String type() {
        return "Dog";
    }
}

class Pig extends Animal {
    public String type() {
        return "Pig";
    }
}

class Rabbit extends Animal {
    public String type() {
        return "Rabbit";
    }
}

上面的三种动物都继承了 Animal 中的 run 和 drinkWater，并且都实现了自己的 type 方法。

现在我们想给 Pig 和 Rabbit 加入吃草的能力，最直接的办法是分别在这两个类中加入 eatGrass 方法，如下：

class Pig extends Animal {
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can eat grass.");
    }

    public String type() {
        return "Pig";
    }
}

class Rabbit extends Animal {
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can eat grass.");
    }

    public String type() {
        return "Rabbit";
    }
}

上面代码能够达到目的，但是不够好，因为Pig 和 Rabbit 中的 eatGrass 一模一样，是重复代码，代码没能复用。

为了解决代码复用，我们可以将 eatGrass 方法放到 Animal 中，利用继承的特性，Pig 和 Rabbit 中就不需要编写 eatGrass 方法，而直接从 Animal 中继承就行。

但是，这样还是有问题，因为如果将 eatGrass 放在 Animal 中，Dog 中也会有 eatGrass ，而我们并不想让 Dog 拥有吃草的能力。

也许你会说，我们可以在 Dog 中将 eatGrass 覆盖重写，让 eatGrass 不具有实际的能力，就像这样：

class Dog extends Animal {
    public void eatGrass() {
        // 什么都不写，就没有了吃草的能力
    }

    public String type() {
        return "Rabbit";
    }
}

这样做虽然能到达目的，但是并不优雅。如果 Animal 的子类特别多的话，就会有很多子类都得这样覆盖 eatGrass 方法。

所以，将 eatGrass 放在 Animal 中也不是一个好的方案。

2，使用接口

那是否可以将 eatGrass 方法提取出来，作为一个接口？

就像这样：

interface EatGrassable {
    void eatGrass();
}

然后，让需要有吃草能力的动物都去实现该接口，就像这样：

class Rabbit extends Animal implements EatGrassable {
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can eat grass.");
    }

    public String type() {
        return "Rabbit";
    }
}

这样做可以达到目的，但是，缺点是每个需要吃草能力的动物之间就会有重复的代码，依然没有达到代码复用的目的。

所以，这种方式还是不能很好的解决问题。

3，使用行为类

我们可以将吃草的能力看作一种“行为”，然后使用“行为类”来实现。那么需要有吃草能力的动物，就将吃草类的对象，作为自己的属性。

这些行为类就像一个个的组件，哪些类需要某种功能的组件，就直接拿来用。

下面我们编写“吃草类”：

interface EatGrassable {
    void eatGrass();
}

class EatGreenGrass implements EatGrassable {
    // 吃绿草
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can eat green grass.");
    }
}

class EatDogtailGrass implements EatGrassable {
    // 吃狗尾草
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can eat dogtail grass.");
    }
}

class EatNoGrass implements EatGrassable {
    // 不是真的吃草
    public void eatGrass() {
        System.out.println("I can not eat grass.");
    }
}

首先创建了一个 EatGrassable 接口，但是不用动物类来实现该接口，而是我们创建了一些行为类 EatGreenGrass ，EatDogtailGrass 和 EatNoGrass，这些行为类实现了 EatGrassable接口。

这样，需要吃草的动物，不但能够吃草，而且可以吃不同种类的草。

那么，该如何使用 EatGrassable 接口呢？需要将 EatGrassable 作为 Animal 的属性，如下：

abstract class Animal {

    // EatGrassable 对象作为 Animal 的属性
    protected EatGrassable eg;

    public Animal() {
        eg = null;
    }

    public void run() {
        System.out.println("I can run.");
    }

    public void drinkWater() {
        System.out.println("I can drink water.");
    }

    public void eatGrass() {
        if (eg != null) {
            eg.eatGrass();
        }
    }

    protected abstract String type();
}

可以看到，Animal 中增加了 eg 属性和 eatGrass 方法。

其它动物类在构造函数中，要初始化 eg 属性：

class Dog extends Animal {
    public Dog() {
        // Dog 不能吃草
        eg = new EatNoGrass();    
    }
    
    public String type() {
        return "Dog";
    }
}

class Pig extends Animal {
    public Pig() {
        eg = new EatGreenGrass();
    }
    
    public String type() {
        return "Pig";
    }
}

class Rabbit extends Animal {
    public Rabbit() {
        eg = new EatDogtailGrass();
    }
    
    public String type() {
        return "Rabbit";
    }
}

对代码测试：

public class Strategy {
    public static void main(String[] args) {
        Animal dog = new Dog();
        Animal pig = new Pig();
        Animal rabbit = new Rabbit();

        dog.eatGrass();    // I can not eat grass.
        pig.eatGrass();    // I can eat green grass.
        rabbit.eatGrass(); // I can eat dogtail grass.
    }
}

4，策略模式

实际上，上面的实现方式使用的就是策略模式。重点在于 EatGrassable 接口与三个行为类 EatGreenGrass，EatDogtailGrass 和 EatNoGrass。在策略模式中，这些行为类被称为算法族，所谓的“策略”，可以理解为“算法”，这些算法可以互相替换。

策略模式定义了一系列算法族，并封装在类中，它们之间可以互相替换，此模式让算法的变化独立于使用算法的客户。

我将完整的代码放在了这里，供大家参考，类图如下：

在这里插入图片描述

5，继承与组合

在一开始的设计中，我们使用的是继承（Is-a） 的方式，但是效果并不是很好。

最终的方案使用了策略模式，它是一种组合（Has-a） 关系，即 Animal 与 EatGrassable 之间的关系。

这也是一种设计原则：多用组合，少用继承，组合关系比继承关系有更好的弹性。

6，动态设定行为

策略模式不仅重在创建一组算法（行为类），能够动态的让这些算法互相替换，也是策略模式典型应用。

所谓的“动态”是指，在程序的运行期间，根据配置，用户输入等方式，动态的设置算法。

只需要在 Animal 中加入 setter 方法即可，如下：

abstract class Animal {
    // 省略了其它代码
    
    public void setEatGrassable(EatGrassable eg) {
        this.eg = eg;
    }
}

使用 setter 方法：

Animal pig = new Pig();
pig.eatGrass();	// I can eat green grass.

pig.setEatGrassable(new EatDogtailGrass()); // 设置新的算法
pig.eatGrass();	// I can eat dogtail grass.

本来 pig 吃的是绿草，我们通过 setter 方法将 绿草 换成了 狗尾草，可以看到，算法的切换非常方便。