行为型模式-备忘录&解释器

一、备忘录模式

　　备忘录模式提供了一种状态恢复的实现机制，使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤，当新的状态无效或者存在问题时，可以使用暂时存储起来的备忘录将状态复原，很多软件都提供了撤销（Undo）操作，如 Word、记事本、Photoshop、IDEA等软件在编辑时按 Ctrl+Z 组合键时能撤销当前操作，使文档恢复到之前的状态；还有在 浏览器 中的后退键、数据库事务管理中的回滚操作、玩游戏时的中间结果存档功能、数据库与操作系统的备份操作、棋类游戏中的悔棋功能等都属于这类。

定义：又叫快照模式，在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后当需要时能将该对象恢复到原先保存的状态。

结构

发起人（Originator）角色：记录当前时刻的内部状态信息，提供创建备忘录和恢复备忘录数据的功能，实现其他业务功能，它可以访问备忘录里的所有信息。
备忘录（Memento）角色：负责存储发起人的内部状态，在需要的时候提供这些内部状态给发起人。
管理者（Caretaker）角色：对备忘录进行管理，提供保存与获取备忘录的功能，但其不能对备忘录的内容进行访问与修改。

备忘录有两个等效的接口

窄接口：管理者(Caretaker)对象（和其他发起人对象之外的任何对象）看到的是备忘录的窄接口(narror Interface)，这个窄接口只允许他把备忘录对象传给其他的对象。
宽接口：与管理者看到的窄接口相反，发起人对象可以看到一个宽接口(wide Interface)，这个宽接口允许它读取所有的数据，以便根据这些数据恢复这个发起人对象的内部状态。

举例：游戏中的某个场景，一游戏角色有生命力、攻击力、防御力等数据，在打Boss前和后一定会不一样的，我们允许玩家如果感觉与Boss决斗的效果不理想可以让游戏恢复到决斗之前的状态。

“白箱”备忘录模式

　　备忘录角色对任何对象都提供一个接口，即宽接口，备忘录角色的内部所存储的状态就对所有对象公开。类图如下：

//游戏角色类
@Data
public class GameRole {
    private int vit; //生命力
    private int atk; //攻击力
    private int def; //防御力
​
    //初始化状态
    public void initState() {
        this.vit = 100;
        this.atk = 100;
        this.def = 100;
    }
​
    //战斗
    public void fight() {
        this.vit = 0;
        this.atk = 0;
        this.def = 0;
    }
​
    //保存角色状态
    public RoleStateMemento saveState() {
        return new RoleStateMemento(vit, atk, def);
    }
​
    //回复角色状态
    public void recoverState(RoleStateMemento roleStateMemento) {
        this.vit = roleStateMemento.getVit();
        this.atk = roleStateMemento.getAtk();
        this.def = roleStateMemento.getDef();
    }
​
    public void stateDisplay() {
        System.out.println("角色生命力：" + vit);
        System.out.println("角色攻击力：" + atk);
        System.out.println("角色防御力：" + def);
    }
}
​
//游戏状态存储类(备忘录类)
@Data
public class RoleStateMemento {
    private int vit;
    private int atk;
    private int def;
​
    public RoleStateMemento(int vit, int atk, int def) {
        this.vit = vit;
        this.atk = atk;
        this.def = def;
    }
}
​
//角色状态管理者类
public class RoleStateCaretaker {
    private RoleStateMemento roleStateMemento;
​
    public RoleStateMemento getRoleStateMemento() {
        return roleStateMemento;
    }
​
    public void setRoleStateMemento(RoleStateMemento roleStateMemento) {
        this.roleStateMemento = roleStateMemento;
    }
}
​
//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("------------大战Boss前------------");
        //大战Boss前
        GameRole gameRole = new GameRole();
        gameRole.initState();
        gameRole.stateDisplay();
​
        //保存进度
        RoleStateCaretaker roleStateCaretaker = new RoleStateCaretaker();
        roleStateCaretaker.setRoleStateMemento(gameRole.saveState());
​
        System.out.println("------------大战Boss后------------");
        //大战Boss时，损耗严重
        gameRole.fight();
        gameRole.stateDisplay();
        System.out.println("------------恢复之前状态------------");
        //恢复之前状态
        gameRole.recoverState(roleStateCaretaker.getRoleStateMemento());
        gameRole.stateDisplay();
​
    }
}

分析：白箱备忘录模式是破坏封装性的。但是通过程序员自律，同样可以在一定程度上实现模式的大部分用意。

“黑箱”备忘录模式

　　备忘录角色对发起人对象提供一个宽接口，而为其他对象提供一个窄接口。在Java语言中，实现双重接口的办法就是将备忘录类设计成发起人类的内部成员类。

将 RoleStateMemento 设为 GameRole 的内部类，从而将 RoleStateMemento 对象封装在 GameRole 里面；在外面提供一个标识接口 Memento 给 RoleStateCaretaker 及其他对象使用。这样 GameRole 类看到的是 RoleStateMemento所有的接口，而RoleStateCaretaker 及其他对象看到的仅仅是标识接口 Memento 所暴露出来的接口，从而维护了封装型。类图如下：

窄接口Memento

//这是一个标识接口，因此没有定义出任何的方法
public interface Memento {
}

定义发起人类 GameRole，并在内部定义备忘录内部类 RoleStateMemento（该内部类设置为私有的）

//游戏角色类
@Data
public class GameRole {
    private int vit; //生命力
    private int atk; //攻击力
    private int def; //防御力
​
    //初始化状态
    public void initState() {
        this.vit = 100;
        this.atk = 100;
        this.def = 100;
    }
​
    //战斗
    public void fight() {
        this.vit = 0;
        this.atk = 0;
        this.def = 0;
    }
​
    //保存角色状态
    public Memento saveState() {
        return new RoleStateMemento(vit, atk, def);
    }
​
    //回复角色状态
    public void recoverState(Memento memento) {
        RoleStateMemento roleStateMemento = (RoleStateMemento) memento;
        this.vit = roleStateMemento.getVit();
        this.atk = roleStateMemento.getAtk();
        this.def = roleStateMemento.getDef();
    }
​
    public void stateDisplay() {
        System.out.println("角色生命力：" + vit);
        System.out.println("角色攻击力：" + atk);
        System.out.println("角色防御力：" + def);
​
    }
​    
    @Data
    private class RoleStateMemento implements Memento {
        private int vit;
        private int atk;
        private int def;
​
        public RoleStateMemento(int vit, int atk, int def) {
            this.vit = vit;
            this.atk = atk;
            this.def = def;
        }
​
    }
}

负责人角色类 RoleStateCaretaker 能够得到的备忘录对象是以 Memento 为接口的，由于这个接口仅仅是一个标识接口，因此负责人角色不可能改变这个备忘录对象的内容

//角色状态管理者类
public class RoleStateCaretaker {
    private Memento memento;
​
    public Memento getMemento() {
        return memento;
    }
​
    public void setMemento(Memento memento) {
        this.memento = memento;
    }
}

测试类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("------------大战Boss前------------");
        //大战Boss前
        GameRole gameRole = new GameRole();
        gameRole.initState();
        gameRole.stateDisplay();
​
        //保存进度
        RoleStateCaretaker roleStateCaretaker = new RoleStateCaretaker();
        roleStateCaretaker.setMemento(gameRole.saveState());
        
        System.out.println("------------大战Boss后------------");
        //大战Boss时，损耗严重
        gameRole.fight();
        gameRole.stateDisplay();
        System.out.println("------------恢复之前状态------------");
        //恢复之前状态
        gameRole.recoverState(roleStateCaretaker.getMemento());
        gameRole.stateDisplay();
    }
}
​

优点：

提供了一种可以恢复状态的机制。当用户需要时能够比较方便地将数据恢复到某个历史的状态。
实现了内部状态的封装。除了创建它的发起人之外，其他对象都不能够访问这些状态信息。
简化了发起人类。发起人不需要管理和保存其内部状态的各个备份，所有状态信息都保存在备忘录中，并由管理者进行管理，这符合单一职责原则。

缺点：

资源消耗大。如果要保存的内部状态信息过多或者特别频繁，将会占用比较大的内存资源。

使用场景：

需要保存与恢复数据的场景，如玩游戏时的中间结果的存档功能。
需要提供一个可回滚操作的场景，如 Word、记事本、Photoshop，idea等软件在编辑时按 Ctrl+Z 组合键，还有数据库中事务操作。

二、解释器模式

　　假如，设计一个软件用来进行加减计算。我们第一想法就是使用工具类，提供对应的加法和减法的工具方法。

//用于两个整数相加
public static int add(int a,int b){
    return a + b;
}
​
//用于两个整数相加
public static int add(int a,int b,int c){
    return a + b + c;
}

//用于n个整数相加
public static int add(Integer ... arr) {
    int sum = 0;
    for (Integer i : arr) {
        sum += i;
    }
    return sum;
}

上面的形式比较单一、有限，如果形式变化非常多，这就不符合要求，因为加法和减法运算，两个运算符与数值可以有无限种组合方式。比如 1+2+3+4+5、1+2+3-4等等。

显然，现在需要一种翻译识别机器，能够解析由数字以及 + - 符号构成的合法的运算序列。如果把运算符和数字都看作节点的话，能够逐个节点的进行读取解析运算，这就是解释器模式的思维。

定义：给定一个语言，定义它的文法表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该标识来解释语言中的句子。

在解释器模式中，我们需要将待解决的问题，提取出规则，抽象为一种“语言”。比如加减法运算，规则为：由数值和 + - 符号组成的合法序列，“1+3-2” 就是这种语言的句子。

解释器就是要解析出来语句的含义。但是如何描述规则呢？

文法（语法）规则：文法是用于描述语言的语法结构的形式规则。

expression ::= value | plus | minus
plus ::= expression ‘+’ expression   
minus ::= expression ‘-’ expression  
value ::= integer

注意： 这里的符号“::=”表示“定义为”的意思，竖线 | 表示或，左右的其中一个，引号内为字符本身，引号外为语法。

上面规则描述为 ：表达式可以是一个值，也可以是plus或者minus运算，而plus和minus又是由表达式结合运算符构成，值的类型为整型数。

抽象语法树：

　　在计算机科学中，抽象语法树（AbstractSyntaxTree，AST），或简称语法树（Syntax tree），是源代码语法结构的一种抽象表示。它以树状的形式表现编程语言的语法结构，树上的每个节点都表示源代码中的一种结构。

用树形来表示符合文法规则的句子。

结构

抽象表达式（Abstract Expression）角色：定义解释器的接口，约定解释器的解释操作，主要包含解释方法 interpret()。
终结符表达式（Terminal Expression）角色：是抽象表达式的子类，用来实现文法中与终结符相关的操作，文法中的每一个终结符都有一个具体终结表达式与之相对应。
非终结符表达式（Nonterminal Expression）角色：也是抽象表达式的子类，用来实现文法中与非终结符相关的操作，文法中的每条规则都对应于一个非终结符表达式。
环境（Context）角色：通常包含各个解释器需要的数据或是公共的功能，一般用来传递被所有解释器共享的数据，后面的解释器可以从这里获取这些值。
客户端（Client）：主要任务是将需要分析的句子或表达式转换成使用解释器对象描述的抽象语法树，然后调用解释器的解释方法，当然也可以通过环境角色间接访问解释器的解释方法。

例子：设计实现加减法的软件

//抽象角色AbstractExpression
public abstract class AbstractExpression {
    public abstract int interpret(Context context);
}
​
//终结符表达式角色
public class Value extends AbstractExpression {
    private int value;
​
    public Value(int value) {
        this.value = value;
    }
​
    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return value;
    }
​
    @Override
    public String toString() {
        return new Integer(value).toString();
    }
}
​
//非终结符表达式角色  加法表达式
public class Plus extends AbstractExpression {
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;
​
    public Plus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
​
    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return left.interpret(context) + right.interpret(context);
    }
​
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " + " + right.toString() + ")";
    }
}
​
///非终结符表达式角色 减法表达式
public class Minus extends AbstractExpression {
    private AbstractExpression left;
    private AbstractExpression right;
​
    public Minus(AbstractExpression left, AbstractExpression right) {
        this.left = left;
        this.right = right;
    }
​
    @Override
    public int interpret(Context context) {
        return left.interpret(context) - right.interpret(context);
    }
​
    @Override
    public String toString() {
        return "(" + left.toString() + " - " + right.toString() + ")";
    }
}
​
//终结符表达式角色 变量表达式
public class Variable extends AbstractExpression {
    private String name;
​
    public Variable(String name) {
        this.name = name;
    }
​
    @Override
    public int interpret(Context ctx) {
        return ctx.getValue(this);
    }
​
    @Override
    public String toString() {
        return name;
    }
}
​
//环境类
public class Context {
    private Map<Variable, Integer> map = new HashMap<Variable, Integer>();
​
    public void assign(Variable var, Integer value) {
        map.put(var, value);
    }
​
    public int getValue(Variable var) {
        Integer value = map.get(var);
        return value;
    }
}
​
//测试类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();
​
        Variable a = new Variable("a");
        Variable b = new Variable("b");
        Variable c = new Variable("c");
        Variable d = new Variable("d");
        Variable e = new Variable("e");
        //Value v = new Value(1);
​
        context.assign(a, 1);
        context.assign(b, 2);
        context.assign(c, 3);
        context.assign(d, 4);
        context.assign(e, 5);
​
        AbstractExpression expression = new Minus(new Plus(new Plus(new Plus(a, b), c), d), e);
​
        System.out.println(expression + "= " + expression.interpret(context));
    }
}

优点

易于改变和扩展文法，由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。每一条文法规则都可以表示为一个类，因此可以方便地实现一个简单的语言。
实现文法较为容易，在抽象语法树中每一个表达式节点类的实现方式都是相似的，这些类的代码编写都不会特别复杂。
增加新的解释表达式较为方便，如果用户需要增加新的解释表达式只需要对应增加一个新的终结符表达式或非终结符表达式类，原有表达式类代码无须修改，符合 "开闭原则"。

缺点

对于复杂文法难以维护，在解释器模式中，每一条规则至少需要定义一个类，因此如果一个语言包含太多文法规则，类的个数将会急剧增加，导致系统难以管理和维护。
执行效率较低，由于在解释器模式中使用了大量的循环和递归调用，因此在解释较为复杂的句子时其速度很慢，而且代码的调试过程也比较麻烦。

使用场景

当语言的文法较为简单，且执行效率不是关键问题时。
当问题重复出现，且可以用一种简单的语言来进行表达时。
当一个语言需要解释执行，并且语言中的句子可以表示为一个抽象语法树的时候。

详细的教学请移步：https://www.bilibili.com/video/BV1Np4y1z7BU