行为型模式

行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。

行为型模式分为类行为模式和对象行为模式，前者采用继承机制来在类间分派行为，后者采用组合或聚合在对象间分配行为。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。

一、模板方法模式（Template）

1.概述

在面向对象程序设计过程中，程序员常常会遇到这种情况：设计一个系统时知道了算法所需的关键步骤，而且确定了这些步骤的执行顺序，但某些步骤的具体实现还未知，或者说某些步骤的实现与具体的环境相关。

例如，去银行办理业务一般要经过以下4个流程：取号、排队、办理具体业务、对银行工作人员进行评分等，其中取号、排队和对银行工作人员进行评分的业务对每个客户是一样的，可以在父类中实现，但是办理具体业务却因人而异，它可能是存款、取款或者转账等，可以延迟到子类中实现。

定义：

定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。

2.结构

模板方法（Template Method）模式包含以下主要角色：

• 抽象类（Abstract Class）：负责给出一个算法的轮廓和骨架。它由一个模板方法和若干个基本方法构成。

  • 模板方法：定义了算法的骨架，按某种顺序调用其包含的基本方法。

  • 基本方法：是实现算法各个步骤的方法，是模板方法的组成部分。基本方法又可以分为三种：

    • 抽象方法(Abstract Method) ：一个抽象方法由抽象类声明、由其具体子类实现。

    • 具体方法(Concrete Method) ：一个具体方法由一个抽象类或具体类声明并实现，其子类可以进行覆盖也可以直接继承。

    • 钩子方法(Hook Method) ：在抽象类中已经实现，包括用于判断的逻辑方法和需要子类重写的空方法两种。

      一般钩子方法是用于判断的逻辑方法，这类方法名一般为isXxx，返回值类型为boolean类型。

• 具体子类（Concrete Class）：实现抽象类中所定义的抽象方法和钩子方法，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

3.案例实现

【例】计算某个方法的执行时间

计算执行时间的开始时间与结束时间是固定的一个在方法的前面一个在方法的后面，但是方法是可变的，可以把方法抽象出去。类图如下：

 代码实现：

• 使用前：

  package com.javaxl.design.template.before;
  
  public class CodeTotalTime {
  
      public static void template(){
          long start = System.currentTimeMillis();
          //检测Operation_1方法运行的时长======33
          Operation_1();
          //检测Operation_2方法运行的时长======616
          //Operation_2();
          long end = System.currentTimeMillis();
          System.out.println(end-start);
      }
  
      public static void Operation_1(){
  
          for (int i = 0; i<1000 ;i++){
              System.out.println("模拟耗时操作...");
          }
          System.out.print("检测Operation_1方法运行的时长======");
      }
  
      public static void Operation_2(){
  
          for (int i = 0; i<20000 ;i++){
              System.out.println("模拟耗时操作...");
          }
  
          System.out.print("检测Operation_2方法运行的时长======");
      }
  
  }
  
  
  public class Client {
      public static void main(String[] args) {
          CodeTotalTime.template();
      }
  }

• 使用后： 

  abstract class CodeAbstractClass {
  	public void template() {
  		long start = System.currentTimeMillis();
  		method();
  		long end = System.currentTimeMillis();
  		System.out.println("当前方法执行时长：" + (end - start));
  	}
  
  	public abstract void method();
  }
  
  class ConcreteClassA extends CodeAbstractClass {
  	@Override
  	public void method() {
  		for (int i = 0; i < 1000; i++) {
  			System.out.println("模拟耗时操作...");
  		}
  		System.out.print("检测ConcreteClassA.method方法运行的时长======");
  	}
  }
  
  class ConcreteClassB extends CodeAbstractClass {
  	@Override
  	public void method() {
  		for (int i = 0; i < 20000; i++) {
  			System.out.println("模拟耗时操作...");
  		}
  		System.out.print("ConcreteClassB.method方法运行的时长======");
  	}
  }
  
  
  public class Client {    
  	public static void main(String[] args) {
  		//检测ConcreteClassA.method方法运行的时长======当前方法执行时长：
  		new ConcreteClassA().template();        
  		//ConcreteClassB.method方法运行的时长======当前方法执行时长：       
  		new ConcreteClassB().template();    
  	}
  }

钩子函数应用场景：

public abstract class CodeAbstractClass {
    public void template() {
        long start = System.currentTimeMillis();
        if (callback()) method();
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("当前方法执行时长：" + (end - start));
    }
​
    public abstract void method();
​
    public boolean callback() {
        return true;
    }
}

4.优缺点

优点：

• 提高代码复用性

  将相同部分的代码放在抽象的父类中，而将不同的代码放入不同的子类中。

• 实现了反向控制

  通过一个父类调用其子类的操作，通过对子类的具体实现扩展不同的行为，实现了反向控制 ，并符合“开闭原则”。

缺点：

• 对每个不同的实现都需要定义一个子类，这会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象。

• 父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，这导致一种反向的控制结构，它提高了代码阅读的难度。

5.适用场景

• 算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现。

• 需要通过子类来决定父类算法中某个步骤是否执行，实现子类对父类的反向控制。

6.JDK源码解析

InputStream类就使用了模板方法模式。在InputStream类中定义了多个 read() 方法，如下：

public abstract class InputStream implements Closeable {
    //抽象方法，要求子类必须重写
    public abstract int read() throws IOException;
​
    public int read(byte b[]) throws IOException {
        return read(b, 0, b.length);
    }
​
    public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
        if (b == null) {
            throw new NullPointerException();
        } else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
            throw new IndexOutOfBoundsException();
        } else if (len == 0) {
            return 0;
        }
​
        int c = read(); //调用了无参的read方法，该方法是每次读取一个字节数据
        if (c == -1) {
            return -1;
        }
        b[off] = (byte)c;
​
        int i = 1;
        try {
            for (; i < len ; i++) {
                c = read();
                if (c == -1) {
                    break;
                }
                b[off + i] = (byte)c;
            }
        } catch (IOException ee) {
        }
        return i;
    }
}

从上面代码可以看到，无参的 read() 方法是抽象方法，要求子类必须实现。而 read(byte b[]) 方法调用了 read(byte b[], int off, int len) 方法，所以在此处重点看的方法是带三个参数的方法。

在该方法中第18行、27行，可以看到调用了无参的抽象的 read() 方法。

总结：

在InputStream父类中已经定义好了读取一个字节数组数据的方法是每次读取一个字节，并将其存储到数组的第一个索引位置，读取len个字节数据。具体如何读取一个字节数据呢？由子类实现。

二、备忘录模式（Memento）

1.概述

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。

2.结构

备忘录模式的主要角色如下：

• 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。

3.案例实现

【例】游戏挑战BOSS

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。

• 情况1：为一个对象保留一个状态

 英雄类：

​
public class Hero {
    //需要存档的属性：这里用一个state属性来表示，实际需要存档的属性可能会有很多
    private String state;
​
    public Hero(String state) {
        this.state = state;
    }
​
    public String getState() {
        return state;
    }
​
    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }
    
    //将当前Hero对象实例进行备份
    public HeroMemento saveHero() {
        return new HeroMemento(this.state);
    }
​
    //恢复上一个英雄状态
    public void getMemento(HeroMemento heroMemento) {
        this.state = heroMemento.getState();
    }
}

 守护者类：

​
public class Caretaker {
    private HeroMemento heroMemento;
​
    public HeroMemento getHeroMemento() {
        return heroMemento;
    }
​
    public void setHeroMemento(HeroMemento heroMemento) {
        this.heroMemento = heroMemento;
    }
}

 英雄备忘录类：

​
public class HeroMemento {
    private String state;
​
    public HeroMemento(String state) {
        this.state = state;
    }
​
    public String getState() {
        return state;
    }
​
    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }
}

 实现：

​
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //new一个英雄状态为满血
        Hero hero = new Hero("状态1，满血状态");
        //守护者
        Caretaker caretaker = new Caretaker();
        //将上面满血状态存档
        caretaker.setHeroMemento(hero.saveHero());
        //覆盖上面的状态为状态下滑
        hero.setState("状态2：状态下滑");
        System.out.println("当前的状态===============" + hero.getState());//状态下滑
        //读取上次的满血存档
        hero.getMemento(caretaker.getHeroMemento());
        System.out.println("当前的状态===============" + hero.getState());//满血状态
        //再次进行存档
        caretaker.setHeroMemento(hero.saveHero());
        //状态改变
        hero.setState("状态3：残血状态");
        //读档 
        hero.getMemento(caretaker.getHeroMemento());
        System.out.println("当前的状态===============" + hero.getState());//满血状态
        //存档
        caretaker.setHeroMemento(hero.saveHero());
        //改变状态
        hero.setState("状态4：临死状态");
        //存档
        caretaker.setHeroMemento(hero.saveHero());
    }
}

• 情况2：为一个对象保留多个状态

public class Hero {
    //    需要存档的属性：这里用一个state属性来表示，实际需要存档的属性可能会有很多
    private String state;
​
    public Hero(String state) {
        this.state = state;
    }
​
    public String getState() {
        return state;
    }
​
    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }    //    将当前Hero对象实例进行备份
​
    public HeroMemento saveHero() {
        return new HeroMemento(this.state);
    }    //    恢复某一个英雄状态
​
    public void getMemento(Caretaker caretaker, int no) {
        this.state = caretaker.getMemento(no).getState();
    }
}

​
public class HeroMemento {
    private String state;
​
    public HeroMemento(String state) {
        this.state = state;
    }
​
    public String getState() {
        return state;
    }
​
    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }
}
​
​
​
public class Caretaker {
    private List<HeroMemento> heroMementos = new ArrayList<>();
​
    public void addMemento(HeroMemento memento) {
        heroMementos.add(memento);
    }
​
    public HeroMemento getMemento(int no) {
        return heroMementos.get(no);
    }
}
​
​
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Hero hero = new Hero("状态1，满血状态");
        Caretaker caretaker = new Caretaker();
        //存档 满血状态
        caretaker.addMemento(hero.saveHero());
        hero.setState("状态2：状态下滑");
        hero.setState("状态3：残血状态");
        //存档 残血状态
        caretaker.addMemento(hero.saveHero());
        hero.setState("状态4：临死状态");
        //存档 临死状态
        caretaker.addMemento(hero.saveHero());
        hero.setState("状态5：死亡状态");
        //上面备份了3个状态，我来恢复看看         
        System.out.println("当前的状态===============" + hero.getState());//死亡
        //读第1个存档
        hero.getMemento(caretaker, 0);
        System.out.println("读取存档1===============" + hero.getState());//满血
        //读第2个存档
        hero.getMemento(caretaker, 1);
        System.out.println("读取存档2===============" + hero.getState());//残血
        //读第3个存档
        hero.getMemento(caretaker, 2);
        System.out.println("读取存档3===============" + hero.getState());//临死
    }
}

• 情况3：为多个对象保留一个状态

public class Caretaker {
    private HashMap<Originator ,Memento> mementos = new HashMap();
}

• 情况4：为多个对象保留多个对象

public class Caretaker {
    private HashMap<Originator , List<Memento>> mementos  = new HashMap();
}

4.优缺点

1，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。

2，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。

5.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。

三、命令模式（Command）

1.概述

在软件开发系统中，常常出现“方法的请求者”与“方法的实现者”之间存在紧密的耦合关系。这不利于软件功能的扩展与维护。例如，想对行为进行“撤销、重做、记录”等处理都很不方便，因此“如何将方法的请求者与方法的实现者解耦？”变得很重要，命令模式能很好地解决这个问题。

在现实生活中，这样的例子也很多，例如，电视机遥控器（命令发送者）通过按钮（具体命令）来遥控电视机（命令接收者），还有计算机键盘上的“功能键”等。

定义：

将一封装为一个对象，使发出请求的责任和执行请求的责任分割开。这样两者之间通过命令对象进行沟通，这样方便将命令对象进行存储、传递、调用、增加与管理。个请求

2.结构

命令模式包含以下主要角色：

• 抽象命令类（Command）角色： 定义命令的接口，声明执行的方法。

• 具体命令（Concrete Command）角色：具体的命令，实现命令接口；通常会持有接收者，并调用接收者的功能来完成命令要执行的操作。

• 实现者/接收者（Receiver）角色： 接收者，真正执行命令的对象。任何类都可能成为一个接收者，只要它能够实现命令要求实现的相应功能。

• 调用者/请求者（Invoker）角色： 要求命令对象执行请求，通常会持有命令对象，可以持有很多的命令对象。这个是客户端真正触发命令并要求命令执行相应操作的地方，也就是说相当于使用命令对象的入口。

3.案例实现

【例】万能遥控器的制作

将上面的案例用代码实现，那我们就需要分析命令模式的角色在该案例中由谁来充当。

• Command抽象命令 执行命令 撤销命令

• ConcreteCommandLightOnCommand 开灯

• LightOffCommand 关灯

• NonCommand空命令

• Invoker调用者 遥控器聚合所有命令 Command[] ons Command[] offs Command undo

• Receiver接受者 电灯、空调、电视

类图如下：

代码如下：

• 出现前：

class AirConditioner {
    public void on() {
        System.out.println("空调打开...");
    }

    public void off() {
        System.out.println("空调关闭...");
    }
}

class Television {
    public void on() {
        System.out.println("电视打开...");
    }

    public void off() {
        System.out.println("电视关闭...");
    }
}

public class Invoker {
    private Light light = new Light();
    private AirConditioner airConditioner = new AirConditioner();
    private Television television = new Television();

    public void lightOn() {
        light.on();
    }

    public void lightOff() {
        light.off();
    }

    public void airOn() {
        airConditioner.on();
    }

    public void airOff() {
        airConditioner.off();
    }

    public void tvOn() {
        television.on();
    }

    public void tvOff() {
        television.off();
    }
}

package com.zhq.command.demo1;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Invoker invoker = new Invoker();
        invoker.lightOn();
        invoker.lightOff();
        System.out.println("=============");
        invoker.airOn();
        invoker.airOff();
        System.out.println("=============");
        invoker.tvOn();
        invoker.tvOff();
    }
}

• 出现后：

/**
 * 被操作的对象
 */
public class Light {
	public void on() {
		System.out.println("电灯打开...");
	}

	public void off() {
		System.out.println("电灯关闭...");
	}
}

class AirConditioner {
	public void on() {
		System.out.println("空调打开...");
	}

	public void off() {
		System.out.println("空调关闭...");
	}
}

class Television {
	public void on() {
		System.out.println("电视打开...");
	}

	public void off() {
		System.out.println("电视关闭...");
	}
}

interface Command {
	void execute();

	void undo();
}// 空命令

class NonCommand implements Command {
	@Override
	public void execute() {
	}

	@Override
	public void undo() {
	}
}

class LightOnCommand implements Command {
	private Light light = new Light();

	@Override
	public void execute() {
		light.on();
	}

	@Override
	public void undo() {
		light.off();
	}
}

class LightOffCommand implements Command {
	private Light light = new Light();

	@Override
	public void execute() {
		light.off();
	}

	@Override
	public void undo() {
		light.on();
	}
}

class TvOnCommand implements Command {
	private Television tv = new Television();

	@Override
	public void execute() {
		tv.on();
	}

	@Override
	public void undo() {
		tv.off();
	}
}

class TvOffCommand implements Command {
	private Television tv = new Television();

	@Override
	public void execute() {
		tv.off();
	}

	@Override
	public void undo() {
		tv.on();
	}
}

public class Invoker {
	Command[] ons;
	Command[] offs;// 记录上一个命令
	Command command;

	public Invoker(int n) {
		ons = new Command[n];
		offs = new Command[n];
		command = new NonCommand();
		for (int i = 0; i < n; i++) {
			setCommand(i, new NonCommand(), new NonCommand());
		}
	}

	public void setCommand(int no, Command on, Command off) {
		ons[no] = on;
		offs[no] = off;
	}

	public Command getOnCommand(int no) {
		return ons[no];
	}

	public Command getOffCommand(int no) {
		return offs[no];
	}

	// 执行命令
	public void invoke(Command command) {
		// 执行当前命令
		command.execute();// 保存当前执行命令
		this.command = command;
	}// 撤销命令（上个操作的反操作）

	public void undo() {// 这里就能体现定义一个空命令的好处了，如果第一次按撤销命令，那么应该什么都不做；// 如果没有定义空命令的话，此时就需要判断空处理了
		command.undo();
	}
}

public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		Invoker invoker = new Invoker(2);
		invoker.setCommand(0, new LightOnCommand(), new LightOffCommand());
		invoker.setCommand(1, new TvOnCommand(), new TvOffCommand());
		System.out.println("电灯打开关闭操作===========");
		invoker.invoke(invoker.getOnCommand(0));
		invoker.invoke(invoker.getOffCommand(0));
		// invoker.undo();
		System.out.println("电视打开关闭操作===========");
		invoker.invoke(invoker.getOnCommand(1));
		invoker.undo();
	}
}

4.优缺点

1，优点：

• 降低系统的耦合度。命令模式能将调用操作的对象与实现该操作的对象解耦。

• 增加或删除命令非常方便。采用命令模式增加与删除命令不会影响其他类，它满足“开闭原则”，对扩展比较灵活。

• 可以实现宏命令。命令模式可以与组合模式结合，将多个命令装配成一个组合命令，即宏命令。

• 方便实现 Undo 和 Redo 操作。命令模式可以与后面介绍的备忘录模式结合，实现命令的撤销与恢复。

2，缺点：

• 使用命令模式可能会导致某些系统有过多的具体命令类。

• 系统结构更加复杂。

5.使用场景

• 系统需要将请求调用者和请求接收者解耦，使得调用者和接收者不直接交互。

• 系统需要在不同的时间指定请求、将请求排队和执行请求。

• 系统需要支持命令的撤销(Undo)操作和恢复(Redo)操作。

6.JDK源码解析

Runable是一个典型命令模式，Runnable担当命令的角色，Thread充当的是调用者，start方法就是其执行方法

//命令接口(抽象命令角色)
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}
​
//调用者
public class Thread implements Runnable {
    private Runnable target;
    
    public synchronized void start() {
        if (threadStatus != 0)
            throw new IllegalThreadStateException();
​
        group.add(this);
​
        boolean started = false;
        try {
            start0();
            started = true;
        } finally {
            try {
                if (!started) {
                    group.threadStartFailed(this);
                }
            } catch (Throwable ignore) {
            }
        }
    }
    
    private native void start0();
}

会调用一个native方法start0(),调用系统方法，开启一个线程。而接收者是对程序员开放的，可以自己定义接收者。

/**
 * jdk Runnable 命令模式
 *      TurnOffThread ： 属于具体
 */
public class TurnOffThread implements Runnable{
     private Receiver receiver;
    
     public TurnOffThread(Receiver receiver) {
        this.receiver = receiver;
     }
     public void run() {
        receiver.turnOFF();
     }
}

/**
 * 测试类
 */
public class Demo {
     public static void main(String[] args) {
         Receiver receiver = new Receiver();
         TurnOffThread turnOffThread = new TurnOffThread(receiver);
         Thread thread = new Thread(turnOffThread);
         thread.start();
     }
}