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行为型策略模式

gavin-james设计模式设计模式大约 10 分钟

策略模式基本介绍

在现实生活中常常遇到实现某种目标存在多种策略可供选择的情况，例如，出行旅游可以乘坐飞机、乘坐火车、骑自行车或自己开私家车等，超市促销可以釆用打折、送商品、送积分等方法。

在软件开发中也常常遇到类似的情况，当实现某一个功能存在多种算法或者策略，我们可以根据环境或者条件的不同选择不同的算法或者策略来完成该功能，如数据排序策略有冒泡排序、选择排序、插入排序、二叉树排序等。

如果使用多重条件转移语句实现（即硬编码），不但使条件语句变得很复杂，而且增加、删除或更换算法要修改原代码，不易维护，违背开闭原则。如果采用策略模式就能很好解决该问题。

策略模式（Strategy Pattern）：该模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的变化不会影响使用算法的客户。

策略模式属于对象行为模式，它通过对算法进行封装，把使用算法的责任和算法的实现分割开来，并委派给不同的对象对这些算法进行管理。即定义 算法族（策略组），并分别封装起来，让他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。

这算法体现了几个设计原则：

  • 把变化的代码从不变的代码中分离出来
  • 针对接口编程而不是具体类（定义了策略接口）
  • 多用组合/聚合，少用继承（客户通过组合方式使用策略模式）

主要优点

  • 多重条件语句不易维护，而使用策略模式可以避免使用多重条件语句，如 if-else 语句、switch-case 语句
  • 策略模式提供了一系列的可供重用的算法族，恰当使用继承可以把算法族的公共代码转移到父类里面，从而避免重复的代码
  • 策略模式可以提供相同行为的不同实现，客户可以根据不同时间或空间要求选择不同的
  • 策略模式提供了对开闭原则的完美支持，可以在不修改原代码的情况下，灵活增加新算法
  • 策略模式把算法的使用放到环境类中，而算法的实现移到具体策略类中，实现了二者的分离

主要缺点

  • 客户端必须理解所有策略算法的区别，以便适时选择恰当的算法类
  • 策略模式造成很多的策略类，增加维护难度

策略模式的结构与实现

策略模式是准备一组算法，并将这组算法封装到一系列的策略类里面，作为一个抽象策略类的子类。策略模式的重心不是如何实现算法，而是如何组织这些算法，从而让程序结构更加灵活，具有更好的维护性和扩展性，现在我们来分析其基本结构和实现方法。

策略模式的主要角色如下：

  • 抽象策略（Strategy）类：定义了一个公共接口，各种不同的算法以不同的方式实现这个接口，环境角色使用这个接口调用不同的算法，一般使用接口或抽象类实现
  • 具体策略（Concrete Strategy）类：实现了抽象策略定义的接口，提供具体的算法实现
  • 环境（Context）类：持有一个策略类的引用，最终给客户端调用

其结构图如图下所示：

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代码实现：

// 抽象策略类
interface Strategy {
    public void strategyMethod(); // 策略方法
}
// 具体策略类 A
class ConcreteStrategyA implements Strategy {
    public void strategyMethod() {
        System.out.println("具体策略A的策略方法被访问！");
    }
}
// 具体策略类 B
class ConcreteStrategyB implements Strategy {
    public void strategyMethod() {
        System.out.println("具体策略B的策略方法被访问！");
    }
}
// 环境类
class Context {
    private Strategy strategy;
    public Strategy getStrategy() {
        return strategy;
    }
    public void setStrategy(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }
    public void strategyMethod() {
        strategy.strategyMethod();
    }
}
public class StrategyPattern {
    public static void main(String[] args) {
        Context c = new Context();
        Strategy s = new ConcreteStrategyA();
        c.setStrategy(s);
        c.strategyMethod();
        System.out.println("-----------------");
        s = new ConcreteStrategyB();
        c.setStrategy(s);
        c.strategyMethod();
    }
}

鸭子项目

要求：

  • 有各种鸭子（比如野鸭、北京鸭、水鸭等。鸭子有各种行为，比如叫、飞行等）

  • 显示鸭子的信息

传统方式解决鸭子项目

传统的设计方案（类图）

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传统方式代码实现

public abstract class Duck {
    public Duck() {
    }
    public abstract void display(); // 显示鸭子信息
    public void quack() {
        System.out.println("鸭子嘎嘎叫~~");
    }
    public void swim() {
        System.out.println("鸭子会游泳~~");
    }
    public void fly() {
        System.out.println("鸭子会飞翔~~~");
    }
}
public class PekingDuck extends Duck {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("~~北京鸭~~~");
    }
    // 因为北京鸭不能飞翔，因此需要重写 fly
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("北京鸭不能飞翔");
    }
}
public class WildDuck extends Duck {
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("这是野鸭");
    }
}

传统方式问题分析和解决方案

首先其它鸭子都继承了 Duck 类，所以 fly 让所有子类都会飞了，这其实是继承带来的问题：对类的局部改动，尤其超类的局部改动，会影响其他部分。会有 溢出效应。

所以北京鸭类为了改进不能飞问题，我们通过覆盖重写 fly 方法来解决，即 覆盖解决。

问题又来了，如果我们有一个玩具鸭子 ToyDuck 类，这样就需要 ToyDuck 去覆盖重写 Duck 的所有实现的方法，相当于 ToyDuck 类和 Duck 类的方法完全不兼容，那么继承就影响非常大。代码如下：

public class ToyDuck extends Duck{
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("玩具鸭");
    }
    // 需要重写父类的所有方法
    public void quack() {
        System.out.println("玩具鸭不能叫~~");
    }
    public void swim() {
        System.out.println("玩具鸭不会游泳~~");
    }
    public void fly() {
        System.out.println("玩具鸭不会飞翔~~~");
    }
}

所以解决思路：使用 策略模式（strategy pattern）。

策略模式解决鸭子项目

思路分析：

策略模式：分别封装行为接口，实现算法族，超类里放行为接口对象，在子类里具体设定行为对象。原则就是：分离变化部分，封装接口，基于接口编程各种功能。此模式让行为的变化独立于算法的使用者。

类图分析：

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代码实现：

飞行策略模式类

public interface FlyBehavior {
    void fly(); // 给子类具体实现
}
public class NoFlyBehavior implements FlyBehavior{
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("不会飞翔 ~~~");
    }
}
public class BadFlyBehavior implements FlyBehavior {
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("飞翔技术一般 ~~~");
    }
}
public class GoodFlyBehavior implements FlyBehavior {
    @Override
    public void fly() {
        System.out.println("飞翔技术高超 ~~~");
    }
}

叫声策略模式类（该策略类并没有提供实现类，下面的测试类也没有实际使用到该类，这里只是说明：可以使用多种策略）

public interface QuackBehavior {
    void quack(); // 子类实现
}

鸭子信息类，可以使用多种策略

public abstract class Duck {
    // 属性, 飞行策略接口
    FlyBehavior flyBehavior;
    // 其它属性：叫声策略接口
    QuackBehavior quackBehavior;
    public Duck() {
    }
    public abstract void display(); // 显示鸭子信息

    public void quack() {
        System.out.println("鸭子嘎嘎叫~~");
    }
    public void swim() {
        System.out.println("鸭子会游泳~~");
    }
    public void fly() {
        // 改进
        if(flyBehavior != null) {
            flyBehavior.fly();
        }
    }
    public void setFlyBehavior(FlyBehavior flyBehavior) {
        this.flyBehavior = flyBehavior;
    }
    public void setQuackBehavior(QuackBehavior quackBehavior) {
        this.quackBehavior = quackBehavior;
    }
}
public class PekingDuck extends Duck {
    // 假如北京鸭可以飞翔，但是飞翔技术一般
    public PekingDuck() {
        flyBehavior = new BadFlyBehavior();
        quackBehavior = new QuackBehavior();
    }
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("~~北京鸭~~~");
    }
}
public class WildDuck extends Duck {
    // 构造器，传入 FlyBehavor 的对象
    public  WildDuck() {
        flyBehavior = new GoodFlyBehavior();
        quackBehavior = new QuackBehavior();
    }
    @Override
    public void display() {
        System.out.println(" 这是野鸭 ");
    }
}
public class ToyDuck extends Duck{
    public ToyDuck() {
        flyBehavior = new NoFlyBehavior();
        quackBehavior = new QuackBehavior();
    }
    @Override
    public void display() {
        System.out.println("玩具鸭");
    }
    // 需要重写父类的所有方法
    public void quack() {
        System.out.println("玩具鸭不能叫~~");
    }
    public void swim() {
        System.out.println("玩具鸭不会游泳~~");
    }
}

测试类

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        WildDuck wildDuck = new WildDuck();
        wildDuck.fly();//

        ToyDuck toyDuck = new ToyDuck();
        toyDuck.fly();

        PekingDuck pekingDuck = new PekingDuck();
        pekingDuck.fly();

        // 动态改变某个对象的行为, 北京鸭 不能飞
        pekingDuck.setFlyBehavior(new NoFlyBehavior());
        System.out.println("北京鸭的实际飞翔能力");
        pekingDuck.fly();
    }
}

JDK-Arrays 的策略模式剖析

JDK 的 Arrays 的 Comparator 就使用了策略模式。

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代码解释：

public class Strategy {
    public static void main(String[] args) {
        // 数组
        Integer[] data = { 9, 1, 2, 8, 4, 3 };
        // 实现降序排序，返回-1 放左边，1 放右边，0 保持不变
        // 说明
        // 1. 实现了 Comparator 接口（策略接口） , 匿名类 对象 new Comparator<Integer>(){..}
        // 2. 对象 new Comparator<Integer>(){..} 就是实现了 策略接口 的对象
        // 3. public int compare(Integer o1, Integer o2){} 指定具体的处理方式
        Comparator<Integer> comparator = new Comparator<Integer>() {
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                if (o1 > o2) {
                    return -1;
                } else {
                    return 1;
                }
            };
        };
        /* Arrays 的 sort 类
		  public static <T> void sort(T[] a, Comparator<? super T> c) {
               if (c == null) {
                   sort(a); // 默认方法
               } else {
                   if (LegacyMergeSort.userRequested) {
                       legacyMergeSort(a, c); // 使用策略对象 c
                   }
                   else{
                       // 使用策略对象 c
                       TimSort.sort(a, 0, a.length, c, null, 0, 0);
                   }
               }
           }
		*/
        // 方式 1
        Arrays.sort(data, comparator);
        System.out.println(Arrays.toString(data)); // 降序排序
        // 方式 2：同时 lambda 表达式实现 策略模式
        Integer[] data2 = { 19, 11, 12, 18, 14, 13 };
        Arrays.sort(data2, (var1, var2) -> {
            if(var1.compareTo(var2) > 0) {
                return -1;
            } else {
                return 1;
            }
        });
        System.out.println("data2=" + Arrays.toString(data2));
    }
}

策略模式的注意事项和细节

  • 策略模式的关键是：分析项目中变化部分与不变部分
  • 策略模式的核心思想是：多用组合/聚合，少用继承；用行为类组合，而不是行为的继承。这样才会更有弹性
  • 策略模式体现了「对修改关闭，对扩展开放」原则，客户端增加行为不用修改原有代码，只要添加一种策略（或者行为）即可，避免了使用多重转移语句（if-else if-else）
  • 策略模式提供了可以替换继承关系的办法：策略模式将算法封装在独立的 Strategy 类中，使得可以独立于其 Context 并改变它，使它易于切换、易于理解、易于扩展
  • 需要注意的是：每添加一个策略就要增加一个类，当策略过多是会导致类数目庞

策略模式的应用场景

策略模式在很多地方用到，如 Java SE 中的容器布局管理就是一个典型的实例，Java SE 中的每个容器都存在多种布局供用户选择。

在程序设计中，通常在以下几种情况中使用策略模式较多：

  • 一个系统需要动态地在几种算法中选择一种时，可将每个算法封装到策略类中
  • 一个类定义了多种行为，并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现，可将每个条件分支移入它们各自的策略类中以代替这些条件语句
  • 系统中各算法彼此完全独立，且要求对客户隐藏具体算法的实现细节时
  • 系统要求使用算法的客户不应该知道其操作的数据时，可使用策略模式来隐藏与算法相关的数据结构
  • 多个类只区别在表现行为不同，可以使用策略模式，在运行时动态选择具体要执行的行为
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