GoF23：Strategy & Template Method（策略&模板方法）

GoF23

1、case：模拟鸭子

开发一款模拟鸭子游戏，包括各种鸭子及其不同行为

会叫；
会游泳；
会飞；
……

如何为鸭子添加行为？考虑以下哪种方案更合适！

1.1、方案尝试

继承

Duck超类

设计一个 Duck 超类；
将行为设计成超类方法；
各种鸭子继承此超类。

quack()：所有鸭子都会 “呱呱叫”，超类实现；
swim()：所有鸭子都会 “游泳”，超类实现；
display()：显示鸭子外观，子类实现；
fly()：所有的鸭子都会 “飞行”，超类实现。

问题

并非所有的子类都会飞（如橡皮鸭）；
由于使用继承，所有子类都会继承超类的相同行为，即使子类并不具备该行为（或子类的行为与父类不同）；
此时，部分子类必须重写父类方法，维护性差。

实现

当涉及维护时，使用继承会导致复用性差。

Duck接口

设计一个 Duck 超类；
将行为设计成接口；
各种鸭子继承 Duck 超类，实现行为接口。

具备相应行为的子类，则实现相应的行为接口；
不具备某些行为的子类，则无需实现相应的行为接口。

问题

大量代码重复，复用性差。

即：相同的行为，会导致相同的代码在多个子类中重复出现；

1.2、分析

方案存在问题
- 继承：鸭子的行为在子类中各有不同，而继承会导致子类继承到相同的超类方法；
- 行为接口：Java interface 不具备实现的代码，复用性差。
设计原则——封装变化之处：将与应用中变化的部分抽取封装，以便修改或扩充，而不影响应用中的其它部分。

1.3、方案：封装变化

在 Duck 超类中，只有 fly() 和 quack() 存在较大的问题；
因此将 “飞行” 和 “鸭叫” 两个行为，分别封装成一个类。每个类负责实现各自的动作。

Behavior：行为

将鸭子行为从 Duck 中独立出来，并在 Duck 中添加 setter，以便运行时动态设定行为。

FlyBehavior

public interface FlyBehavior {
    void fly();
}

public class FlyWithWings implements FlyBehavior{
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("I'm flying with wings...");
    }
}

public class FlyNoWay implements FlyBehavior{
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("I can't fly...");
    }
}

QuackBehavior

public interface QuackBehavior {
    void quack();
}

public class Quack implements QuackBehavior{
    @Override
    public void quack() {
        System.out.println("Quacking...");
    }
}

public class Squeak implements QuackBehavior{
    @Override
    public void quack() {
        System.out.println("Squeaking...");
    }
}

public class MuteQuack implements QuackBehavior{
    @Override
    public void quack() {
        System.out.println("...");
    }
}

Duck：整合行为

成员变量：鸭子行为，声明为接口类型（面向抽象编程）；
quack() 和 fly()：委托 Behavior类完成；
display()：抽象方法，子类实现；
swim()：超类实现；
setter：注入 Behavior 实例，也可以构造器注入。

public abstract class Duck {
    protected QuackBehavior quackBehavior;
    protected FlyBehavior flyBehavior;

    public void quack(){
        quackBehavior.quack();
    }

    public void swim(){
        System.out.println("I'm swimming...");
    }

    public abstract void display();

    public void fly(){
        flyBehavior.fly();
    }


    public void setFlyBehavior(FlyBehavior flyBehavior) {
        this.flyBehavior = flyBehavior;
    }

    public void setQuackBehavior(QuackBehavior quackBehavior) {
        this.quackBehavior = quackBehavior;
    }
}

Duck：子类

注入 Behavior：构造器注入默认值（硬编码），也可以运行时通过 setter 动态修改；
实现 display()

public class MallardDuck extends Duck{

    public MallardDuck() {
        quackBehavior = new Quack();
        flyBehavior = new FlyWithWings();
    }

    @Override
    public void display() {
        System.out.println("I'm Mallard duck");
    }
}

测试

测试 MallardDuck 方法

@Test
public void test() {
    MallardDuck duck = new MallardDuck();

    duck.display();
    duck.quack();
    duck.swim();
    duck.fly();
}

测试 setter

@Test
public void testSetter() {
    MallardDuck duck = new MallardDuck();
    duck.quack();
    duck.fly();

    System.out.println("\n===== setter =====\n");
    // 动态设置行为
    duck.setQuackBehavior(new MuteQuack());
    duck.setFlyBehavior(new FlyNoWay());

    duck.quack();
    duck.fly();
}

1.5、再分析

不再把行为当作 “一组方法”，而是把行为当作 “一簇算法”。

2、策略模式

2.1、定义

策略模式：定义并封装算法族，使它们可以互相替换。

让算法的变化 独立于 使用算法的客户；
把行为当作 “一簇算法”，而不是 “一组方法”；

2.2、OOP原则

合成复用：多用组合/聚合，少用继承；
里氏替换：（继承）父类的性质在子类中成立；
开闭原则

2.3、类图

Clent：客户
- 内部持有行为实例；
- 当 Client 的方法被请求时，委托给 Behavior 类处理；
- Client 可以在运行时动态修改行为。
Behavior：行为
- 处理来自 Client 的请求；
- 每个 ConcreteBehavior都提供了本状态对请求的实现；
- 每个 ConcreteBehavior 是可以互相替换的。

3、case：饮料制作

3.1、Coffee & Tea

简介

饮料店制作咖啡和茶：冲泡步骤相同，细节稍微不同。

咖啡
1. 把水煮沸；
2. 用沸水冲泡咖啡；
3. 把咖啡倒进杯子；
4. 加糖和牛奶。
茶
1. 把水煮沸；
2. 用沸水冲泡茶叶；
3. 把茶倒进杯子；
4. 加柠檬。

分析

饮料冲泡：算法步骤相同，实现有所不同。

把水煮沸；
用沸水冲泡；
把饮料倒进杯子；
加调料。

3.2、代码实现

Drink抽象类

设计一个 Drink 抽象类，定义一个 final方法和四个制作方法。

prepare()：final，封装算法步骤，避免子类覆盖；
boil()：final，超类中实现，子类通用；
brew()：abstract，不同饮料的处理方法不同，由子类实现；
pour()：final，超类中实现，子类通用；
addCondiment()：abstract，不同饮料添加的调料不同，由子类实现。

public abstract class Drink {
    public final void prepare() {
        boil();
        brew();
        pour();
        addCondiment();
    }

    private final void boil() {
        System.out.println("Boiling water...");
    }

    protected abstract void brew();

    private final void pour() {
        System.out.println("Pouring into a cup...");
    }

    protected abstract void addCondiment();
}

实现类

继承 Drink超类，实现 brew() 和 addCondiment()。

// 咖啡
public class Coffee extends Drink {
    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("Dripping the coffee through filter...");
    }

    @Override
    protected void addCondiment() {
        System.out.println("Adding sugar and milk...");
    }
}
// 茶
public class Tea extends Drink{
    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("Steeping the tea...");
    }

    @Override
    protected void addCondiment() {
        System.out.println("Adding lemon...");
    }
}

3.3、测试

@Test
public void test() {
    Coffee coffee = new Coffee();
    coffee.prepare();

    System.out.println("====================================");

    Tea tea = new Tea();
    tea.prepare();
}

3.4、prepare() 分析

prepare() 是模板方法

是一个方法，作为算法模板；
某些方法在超类中实现，某些方法由子类实现。

4、模板方法模式

4.1、定义

模板方法模式：在方法中定义算法的骨架，将一些步骤的实现延迟到子类中。

将算法定义成一组步骤，其中的任何步骤可以是具体的（超类实现），也可以是抽象的（子类实现）；
算法结构不变：模板方法定义为 final；
算法步骤的实现不同：abstract 的方法由子类实现；
OOP原则——依赖倒置：将算法抽象成一组步骤，面向抽象编程。

注：工厂方法是模板方法的一种特殊形式。

4.2、类图

抽象类
- 包含模板方法、以及模板方法所用到的原语操作；
- 模板方法中调用原语操作，即算法步骤；
- 模板方法的本身和原语操作的具体实现之间解耦；
具体类：实现超类中抽象的操作

4.3、代码表示

4.4、hook：钩子

4.4.1、简介

钩子

声明在抽象类中的方法，具有空的或默认的实现；
由子类决定是否进行挂钩（即重写钩子方法）。

4.4.2、DrinkWithHook

Drink抽象类

在原有代码基础上，添加钩子方法 isAddCondiment()；
本例中钩子方法，用于判断是否添加调料。

public abstract class DrinkWithHook {
    public final void prepare() {
        boil();
        brew();
        pour();
        if (isAddCondiment()) {
            addCondiment();
        }
    }

    private void boil() {
        System.out.println("Boiling water...");
    }

    protected abstract void brew();

    private void pour() {
        System.out.println("Pouring into a cup...");
    }

    protected abstract void addCondiment();

    protected boolean isAddCondiment() {
        return true;
    }
}

实现类

继承 DrinkWithHook 超类。实现抽象方法；
重写钩子方法 isAddCondiment()，加入自己的逻辑。

public class CoffeeWithHook extends DrinkWithHook {
    @Override
    protected void brew() {
        System.out.println("Dripping the coffee through filter...");
    }

    @Override
    protected void addCondiment() {
        System.out.println("Adding sugar and milk...");
    }

    @Override
    protected boolean isAddCondiment() {
        System.out.println("=== Would you like sugar and milk? (y/n) ===");

        String answer = new Scanner(System.in).next();

        return "y".equals(answer.toLowerCase());
    }
}

测试

PS：在 JUnit 单元测试中，控制台无法输入的问题

点击 help → Edit custom VM options

添加一行代码：-Deditable.java.test.console=true

重启 IDEA 生效，解决问题。

也可以新建一个 main 方法作为测试。

@Test
public void testHook() {
    CoffeeWithHook coffee = new CoffeeWithHook();
    coffee.prepare();
}

4.4.3、分析

抽象方法的使用：当算法步骤的实现需要由子类提供时，将方法声明为抽象，由子类实现。
钩子的使用：算法的部分步骤是可选时，可添加钩子方法。

4.5、Java API：数组排序

Java Arrays 提供了一个为 Object数组 排序的 sort() 方法。

实际上，有三个方法共同完成排序的功能；
sort() 和 legacyMergeSort() 是辅助方法，用于完成准备工作；
mergeSort() 是真正的排序方法，可以看作一个模板方法。

sort()

委托 legacyMergeSort() 方法;

传入 legacyMergeSort() 需要的参数，即数组 a；

public static void sort(Object[] a) {
    if (LegacyMergeSort.userRequested)
        legacyMergeSort(a);
    else
        ComparableTimSort.sort(a, 0, a.length, null, 0, 0);
}

legacyMergeSort()

委托 mergeSort() 方法；
为待排序数组 a 创造一个拷贝 aux，并传入 mergeSort() 需要的参数。

private static void legacyMergeSort(Object[] a) {
    Object[] aux = a.clone();
    mergeSort(aux, a, 0, a.length, 0);
}

mergeSort()

真正的排序方法，可以看作一个模板方法。

compareTo()：“抽象方法”，由 “子类” 实现；
- 在使用 sort() 为 Object数组排序时，待排序的类必须实现 Comparable接口的 compareTo() 方法；
- 例：为 Student数组排序，则 Student类需实现 Comparable接口，根据需求compareTo() 方法。
swap()：“具体方法”，由本类提供。

private static void mergeSort(Object[] src,
                              Object[] dest,
                              int low,
                              int high,
                              int off) {
    int length = high - low;

    if (length < INSERTIONSORT_THRESHOLD) {
        for (int i=low; i<high; i++)
            for (int j=i; j>low &&
                     ((Comparable) dest[j-1]).compareTo(dest[j])>0; j--)
                swap(dest, j, j-1);
        return;
    }

    // ...
}

5、策略 vs 模板方法

	策略模式	模板方法模式
定义	定义并封装算法族，使它们可以互相替换。	在方法中定义算法的骨架，将一些步骤的实现延迟到子类中。
侧重点	封装算法	封装算法子步骤

posted @ 2022-01-30 20:42 Jaywee 阅读(59) 评论(0) 编辑收藏举报

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Jaywee

GoF23：Strategy & Template Method（策略&模板方法）

1、case：模拟鸭子

1.1、方案尝试

继承

实现

1.2、分析

1.3、方案：封装变化

Behavior：行为

Duck：整合行为

Duck：子类

测试

1.5、再分析

2、策略模式

2.1、定义

2.2、OOP原则

2.3、类图

3、case：饮料制作

3.1、Coffee & Tea

3.2、代码实现

Drink抽象类

实现类

3.3、测试

3.4、prepare() 分析

4、模板方法模式

4.1、定义

4.2、类图

4.3、代码表示

4.4、hook：钩子

4.4.1、简介

4.4.2、DrinkWithHook

Drink抽象类

实现类

测试

4.4.3、分析

4.5、Java API：数组排序

sort()

legacyMergeSort()

mergeSort()

5、策略 vs 模板方法

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