掌握設計模式之策略模式

前言

最近段時間，接到一個需求：開發(fā)一個聚合支付服務，對其他內(nèi)部項目提供統(tǒng)一的接口來實現(xiàn)不同支付平臺的支付能力發(fā)起，比如支付寶，微信，銀聯(lián)等。為了處理相似的支付操作而各平臺具體實現(xiàn)不同的情況，要讓各個平臺接口能力能相互獨立，并要方便擴展后續(xù)新增的支付平臺，我引入了設計模式的策略模式來應對需求場景，借此深入學習總結下策略模式，于是也就有了本文，希望對學習策略模式的同學有所幫助。

為什么需要策略模式

日常工作開發(fā)中我們總會遇到如下熟悉的代碼片段：

if(condition1){
 // do something1
} else if (condition2){
 // do something2
} else if (condition3){
 // do something3
}

在每個 if 條件下都有數(shù)十行甚至百行的業(yè)務處理，各自處理又是相互獨立的并且目的一致，都匯聚在一個方法里。這樣的寫法不但讓類變得臃腫冗長，并且不同邏輯都在一個類中修改，維護和擴展起來都很費勁。那么又有什么辦法可以優(yōu)化這大段的代碼呢，在實現(xiàn)功能的同時，讓代碼更加靈活和易維護。

要解決這個問題，本文的主角—策略模式 就登場了，作為設計模式中比較簡單的行為型模式，其實很多框架中都見到它的身影，稍后我們也會從各框架源碼中識別策略模式的應用。使用策略模式可以幫助我們將每個處理邏輯封裝成獨立的類，客戶端類需要進行哪種處理邏輯就使用對應的類，調用其封裝了業(yè)務處理細節(jié)的方法即可。這樣一來，客戶端類減少了業(yè)務處理邏輯的大量代碼，讓自身更加精簡。當業(yè)務邏輯有所改動時，只要在對應的類中修改，而不影響其他的類；并且如果出現(xiàn)了新的業(yè)務邏輯只要新增相似的類進行實現(xiàn)，供客戶端類調用即可。

什么是策略模式

接下來我們就介紹下策略模式的定義和組成，以及它的基本形式。

首先看下維基百科上策略模式的定義：

In computer programming, the strategy pattern (also known as the policy pattern) is a behavioral software design pattern that enables selecting an algorithm at runtime. Instead of implementing a single algorithm directly, code receives run-time instructions as to which in a family of algorithms to use.

策略模式也叫政策模式，允許程序在運行時選擇一個算法執(zhí)行，通常存在一類算法實現(xiàn)提供外部選擇執(zhí)行，這里的算法，也可以叫做策略，相當于上節(jié)內(nèi)容提到的具體處理邏輯。

再來看下 《設計模式：可復用面向對象軟件的基礎》一書中對策略模式的定義：

Define a family of algorithms, encapsulate each one, and make them interchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from the clients that use it.

再次對其定義解讀：定義一類算法，各自獨立封裝實現(xiàn)，并且相互之間是可替換的。除此之外，由客戶端類決定具體使用哪個算法。

上述兩個定義都提到了算法一詞，它表示了完整的，不可再拆分的業(yè)務邏輯處理。通常用接口或者抽象類來表示一類算法的抽象，提供多種對該類算法的操作實現(xiàn)，以此組成一類獨立且可替換的算法，也叫策略組。

了解完定義后，我們再來看下策略模式通用類圖：

類圖中涉及三類角色：Context，Strategy 和 ConcreteStrategy

  • Strategy：抽象策略角色，代表某個算法的接口或者抽象類，定義了每個算法或者策略需要具有的方法和屬性。
  • Context：上下文角色，引用策略接口對象，屏蔽了外部模塊對策略或方法的直接訪問，只能通過Context 提供的方法訪問。
  • ConcreteStrategy：抽象策略的具體實現(xiàn)，該類含有具體的算法，并且通常不只一種實現(xiàn)，有多個類。

這三個角色的功能職責都十分明確，對應的源碼實現(xiàn)也十分簡單，現(xiàn)在我們就來快速看下每個角色對應的通用源碼。

// 抽象的策略角色
public interface Strategy {
    void doSomething();
}

// 具體策略角色
public class ConcreteStrategy implements Strategy {
    @Override
    public void doSomething() {
        System.out.println("ConcreteStrategy doSomething !");
    }
}

// 上下文角色
public class Context {
    private final Strategy strategy;

    public Context(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void doAnything() {
        this.strategy.doSomething();
    }
}

有了策略模式的基本代碼結構，在客戶端類中使用十分簡單，想要哪個策略，就產(chǎn)生出它的具體策略對象放入上下文對象內(nèi)，然后由上下文對象執(zhí)行具體策略操作即可，具體代碼如下：

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Strategy strategy = new ConcreteStrategy();
        Context context = new Context(strategy);
        context.doAnything(); // ConcreteStrategy doSomething !
    }
}

識別策略模式

看清楚了策略模式的定義，角色組成以及通用的代碼結構之后，我們就來看下策略模式在通用框架里的應用，來加深對策略模式的認識。

JDK 與策略模式

在常用的Java 集合框架中，比較器 java.util.Comparator 的設計就采用了策略模式。Comparator 就是一個抽象的策略接口，只要一個類實現(xiàn)這個接口，自定 compare 方法，該類成為具體策略類，你可以在很多地址找到這個抽象策略接口的實現(xiàn)，官方在工具類 java.util.Comparators 里也提供 NaturalOrderComparator，NullComparator 兩種具體策略類。而使用 Comparator 到的 java.util.Collections 類就是 Context 角色，將集合的比較功能封裝成靜態(tài)方法對外提供。

Spring Framework 與策略模式

Spring 框架最早以 IoC 和 DI 兩大特性著稱，不需要開發(fā)者自己創(chuàng)建對象，而是通過 Spring IoC 容器識別然后實例化所需對象。在 Spring 中將執(zhí)行創(chuàng)建對象實例的這個操作封裝為一種算法，用接口類 org.springframework.beans.factory.support.InstantiationStrategy 進行聲明，而具體策略類則有 org.springframework.beans.factory.support.SimpleInstantiationStrategy 和 org.springframework.beans.factory.support.CglibSubclassingInstantiationStrategy 兩個，并且 CglibSubclassingInstantiationStrategy 是對 SimpleInstantiationStrategy 的繼承擴展，也是 Spring 容器中真正使用到的策略類,具體應用的源碼可參考 org.springframework.beans.factory.support.AbstractAutowireCapableBeanFactory 類：

/**
    * Instantiate the given bean using its default constructor.
    * @param beanName the name of the bean
    * @param mbd the bean definition for the bean
    * @return a BeanWrapper for the new instance
    */
protected BeanWrapper instantiateBean(final String beanName, final RootBeanDefinition mbd) {
    //...
    beanInstance = getInstantiationStrategy().instantiate(mbd, beanName, parent);
    //...
}

如何使用策略模式

實例應用

俗話說學以致用，接觸了策略模式后我們應該想想怎么用在自己日常開發(fā)項目中呢，這里就簡單通過一個實例來說明下策略模式的使用方式。假設現(xiàn)在有個需求：需要對一個目錄或者文件實現(xiàn)兩種不同格式的解壓縮方式：zip壓縮和gzip壓縮，也后續(xù)可能新增其他的解壓縮方式。

我們首先將解壓縮的算法抽象成抽象策略接口 CompressStrategy， 提供壓縮方法 compress 和解壓縮方法 uncompress，分別接受源文件路徑和目的文件路徑。

策略類在命名通常上以 Strategy 為后綴，來指明自身采用策略模式進行設計，以此簡化與其他人溝通成本。

public interface CompressStrategy {
    public boolean compress(String source, String to);
    public boolean uncompress(String source, String to);
}

再對抽象策略接口進行實現(xiàn)，分別提供zip 壓縮算法和 gzip 壓縮算法，代碼如下：

public class ZipStrategy implements CompressStrategy {

    @Override
    public boolean compress(String source, String to) {
        System.out.println(source + " --> " + to + " ZIP壓縮成功!");
        return true;
    }

    @Override
    public boolean uncompress(String source, String to) {
        System.out.println(source + " --> " + to + " ZIP解壓縮成功!");
        return true;
    }
}

public class GzipStrategy implements CompressStrategy {

    @Override
    public boolean compress(String source, String to) {
        System.out.println(source + " --> " + to + " GZIP壓縮成功!");
        return true;
    }

    @Override
    public boolean uncompress(String source, String to) {
        System.out.println(source + " --> " + to + " GZIP解壓縮成功!");
        return true;
    }
}

代碼示例里的實現(xiàn)為了簡化只是簡單打印操作，具體實現(xiàn)可以參考 JDK API 進行操作。

接下來看下 Context 角色的代碼實現(xiàn)：

public class CompressContext {

    private CompressStrategy compressStrategy;

    public CompressContext(CompressStrategy compressStrategy) {
        this.compressStrategy = compressStrategy;
    }

    public boolean compress(String source, String to) {
        return compressStrategy.compress(source, to);
    }

    public boolean uncompress(String source, String to) {
        return compressStrategy.uncompress(source, to);
    }
}

十分簡單，只是傳入一個具體算法，然后執(zhí)行，到這里標準的策略模式就編寫完畢了?？蛻舳祟愔皇歉鶕?jù)需要指定的具體壓縮策略對象傳給 CompressContext 對象即可。如果要新增一個壓縮算法，也只需對 CompressStrategy 接口提供新的實現(xiàn)即可傳給 CompressContext 對象使用。

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        CompressContext context;
        System.out.println("========執(zhí)行算法========");
        context = new CompressContext(new ZipStrategy());
        context.compress("c:\\file", "d:\\file.zip");
        context.uncompress("c:\\file.zip", "d:\\file");
        System.out.println("========切換算法========");
        context = new CompressContext(new GzipStrategy());
        context.compress("c:\\file", "d:\\file.gzip");
        context.uncompress("c:\\file.gzip", "d:\\file");
    }
}

上面的策略模式的應用示例是不是很簡單，類似應用也有很多，比如要對接第三方支付，不同的支付平臺有不同的支付API，這個API操作都可以抽象成策略接口，客戶端發(fā)起特定平臺的支付接口時，我們只需調用具體的支付策略類執(zhí)行，并且每個支付策略類相互獨立，可替換。

適用場景

本節(jié)最后簡單總結下策略模式的適用場景：

  • 如果一個對象有很多的行為，它們的實現(xiàn)目的相同，而這些行為使用了多重的條件選擇語句來實現(xiàn)。

  • 當一個系統(tǒng)需要動態(tài)地切換算法，會選擇一種算法去執(zhí)行。

  • 客戶端類不需要知道具體算法的實現(xiàn)細節(jié)，只要調用并完成所需要求。

Lambda 與 策略模式

JDK 8 之后，利用Lambda可以提供策略模式更加精簡的實現(xiàn)，如果策略接口是一個函數(shù)接口，那么不需要聲明新的類來實現(xiàn)不同策略，直接通過傳遞Lambda就可實現(xiàn)，并且更加簡潔，具體使用方式參見下方代碼：

/**
 * Context 對象
 */
public class Validator {
    private final ValidationStrategy strategy;

    public Validator(ValidationStrategy v) {
        this.strategy = v;
    }

    public boolean validate(String s) {
        return strategy.execute(s);
    }

}

/**
 * 策略接口
 */
@FunctionalInterface
public interface ValidationStrategy {
    boolean execute(String s);
}

numericValidator = new Validator((String s) -> s.matches("[a-z]+"));
b1 = numericValidator.validate("aaaa"); // true
lowerCaseValidator = new Validator((String s) -> s.matches("\\d+"));
b2 = lowerCaseValidator.validate("bbbb"); // false

結合 Lambda 的策略模式更適合用于處理簡單算法操作的場景，如果算法實現(xiàn)復雜過于冗長復雜，還是建議拆分成單個類進行實現(xiàn)。

策略模式的注意點

策略模式使用起來雖然簡單，但它的靈活性在許多項目都能見到其身影，在使用時也有需要注意的地方，下面我們就來看下：

  • 策略模式中每個算法都是完整，不可拆分的原子業(yè)務，并且多個算法必須是可以相互替換,，而用哪個算法由外部調用者決定。

  • 當如果具體策略類超過4個，需要使用混合模式減少類膨脹和對外暴露的問題，通過其他模式修正：工廠方法模式，代理模式，享元模式

策略模式的優(yōu)缺點

一個設計模式的引入必存在它合理的地方和不足，最后我們再說說下策略模式的優(yōu)缺點。

優(yōu)點

  • 使用策略模式，可以在不修改原有系統(tǒng)的基礎上更換算法或行為，可以靈活地增加新的算法或行為，提供了系統(tǒng)的擴展性
  • 策略模式提供了對一類算法進行管理維護。
  • 使用策略模式可以避免使用多重條件判斷，由外部模塊決定所要執(zhí)行的策略類。

缺點

  • 客戶端必須知道所有的策略類，并自行決定使用哪一個策略類。
  • 會產(chǎn)生很多策略類，使得類的項目增多。

結語

到這里，本文對策略模式的學習就此結束，當然關于策略模式的內(nèi)容遠不止這些，配合其他模式還有用法，感興趣了的同學可以參考文末提供的資料鏈接進一步深入學習。也歡迎掃碼關注微信公眾號：「聞人的技術博客」，定期分享Java技術干貨，共同進步。

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