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Java设计模式教程 ——策略模式

我来了! 发表于 2年前  | 评论(0 )| 阅读次数(630 )|   0 人收藏此文章,   我要收藏

1984年,我以机械工程学位从大学毕业,开始了软件工程师的职业生涯。自学C语言之后,1985年从事了用于Unix的50,000行用户图形界面(GUI)开发。整个过程非常轻松愉快。

1985年底,我的编码工作完成了,之后我考虑开始其他的项目——或者说我认为我可以进行新的项目了。但很快我收到了一系列bug报告和新增的需求,为修正错误我开始努力阅读这50,000行代码。这个工作却非常艰难。

整个程序就像真正用卡片做成的房子一样,几乎每天都会轰然倒下。即使是最微小的变化我也要花费几个小时来恢复程序的稳定性。

可能我碰巧发现了一个重要的软件工程原则:开发阶段轻松愉快,然后项目部署后就去找下一份工作。然而,实际上我的困难源于我对面向对象(object-oriented,OO)软件开发基本原则——封装的无知。我的程序就是个大型的switch语句集合,在不同情况下调用不同的函数——这导致了代码的紧耦合以及整个软件难以适应变化。

Java设计模式这篇文章,我会讨论策略模式,它可能是最基础的设计模式吧。如果在1984年的时候我知道策略模式的话,有很大一部分工作就可以避免了。

策略模式

在GOF的设计模式一书的第一章,作者讨论了若干条OO设计原则,这些原则包括了很多设计模式的核心。策略模式体现了这样两个原则——封装变化对接口编程而不是对实现编程设计模式的作者把策略模式定义如下:

Define a family of algorithms, encapsulate each one, and make them interchangeable. [The] Strategy [pattern] lets the algorithm vary independently from clients that use it.(策略模式定义了一系列的算法,并将每一个算法封装起来,而且使它们还可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而变化。)

策略模式将整个软件构建为可互换部分的松耦合的集合,而不是单一的紧耦合系统。松耦合的软件可扩展性更好,更易于维护且重用性好。

为理解策略模式,我们首先看一下Swing如何使用策略模式绘制组件周围的边框。接着讨论Swing使用策略模式带来的好处,最后说明在你的软件中如何实现策略模式。

Swing 边框

几乎所有的Swing组件都可以绘制边框,包括面板、按钮、列表等等。Swing也提供了组件的多种边框类型:bevel(斜面边 框),etched(浮雕化边框),line(线边框),titled(标题边框)以及compound(复合边框)等。Swing组件的边框使用JComponent类绘制,它是所有Swing组件的基类,实现了所有Swing组件的常用功能。

JComponent实现了paintBorder(),该方法用来绘制组件周围的边框。假如Swing的创建者使用类似示例1的方法实现paintBorder():

// A hypothetical JComponent.paintBorder method
protected void paintBorder(Graphics g) {
   switch(getBorderType()) {
      case LINE_BORDER:   paintLineBorder(g);
                          break;
      case ETCHED_BORDER: paintEtchedBorder(g);
                          break;
      case TITLED_BORDER: paintTitledBorder(g);
                          break;
      ...
   }
}

示例1 绘制Swing边框的错误方式

示例1中JComponent.paintBorder()方法在JComponent硬编码了边框的绘制。

如果你想实现一种新的边框类型,可以想见这样的结果——需要修改JComponent类的至少三个地方:首先,添加与新边框类型相关的新的整数值。第二,switch语句中添加case语句。第三,实现paintXXXBorder()方法,XXX表示边框类型。

很显然,扩展前面的paintBorder()吃力不讨好。你会发现不仅paintBorder()很难扩展新类型,而且JComponent类不是你首先要修改的位置,它是Swing工具包的一部分,这意味着你将不得不重新编译类和重建全部工具包。你也必须要求你的用户使用你自己的Swing版本而不是标准版,Swing下一次发布后这些工作依然要做。此外,因为你为JComponent类添加了新的边框绘制功能,无论你是否喜欢每个Swing组件都可以访问该功能的现状——你不能把你的新边框限制到具体的组件类型。

可见,如果JComponent类使用示例1中的switch语句实现其功能,Swing组件就不能被扩展。

那么运用OO思想如何实现呢?使用策略模式解耦JComponent与边框绘制的代码,这样无需修改JComponent类就实现了边框绘制算法的多样性。使用策略模式封装变化,即绘制边框方法的变化,以及对接口编程而不是对实现编程,提供一个Border接口。接下来就看看JComponent如何使用策略模式绘制边框。示例2为JComponent.paintBorder()方法:

// The actual implementation of the JComponent.paintBorder() method
protected void paintBorder(Graphics g) {
   Border border = getBorder();
   if (border != null) {
      border.paintBorder(this, g, 0, 0, getWidth(), getHeight());
   }
}

示例2 绘制Swing边框的正确方式

前面的paintBorder()方法绘制了有边框物体的边框。在这种情况下,边框对象封装了边框绘制算法,而不是JComponent类。

注意JComponent把自身的引用传递给Border.paintBorder(),这样边框对象就可以从组件获取信息,这种方式通常称为委托。通过传递自身的引用,一个对象将功能委托给另一对象(查看“理解代理设计模式”一文)。

JComponent类引用了边框对象,作为JComponent.getBorder()方法的返回值,示例3为相关的setter方法。

...
private Border border;
...
public void setBorder(Border border) {
   Border oldBorder = this.border;
   this.border = border;
   firePropertyChange("border", oldBorder, border);
   if (border != oldBorder) {
      if (border == null || oldBorder == null || !(border.getBorderInsets(this).
                                    equals(oldBorder.getBorderInsets(this)))) {
         revalidate();
      }       
      repaint();
   }
}
...
public Border getBorder() {
   return border;
}

示例3 Swing组件边框的setter和getter方法

使用JComponent.setBorder()设置组件的边框时,JComponent类触发属性改变事件,如果新的边框与旧边框不同,组件重新绘制。getBorder()方法简单返回Border引用。

图1为边框和JComponent类之间关系的类图。

图1 Swing边框

JComponent类包含Border对象的私有引用。注意由于Border是接口不是类,Swing组件可以拥有任意类型的实现了Border接口的边框(这就是对接口编程而不是对实现编程的含义)。

我们已经知道了JComponent是如何通过策略模式实现边框绘制的,下面创建一种新边框类型来测试一下它的可扩展性。

创建新的边框类型

图2 新边框类型

图2显示了具有三个面板的Swing应用。每个面板设置自定义的边框,每个边框对应一个HandleBorder实例。绘图程序通常使用handleBorder对象来移动对象和改变对象大小。

示例4为HandleBorder类:

import java.awt.*;
import javax.swing.*;
import javax.swing.border.*;
public class HandleBorder extends AbstractBorder {
   protected Color lineColor;
   protected int thick;
   public HandleBorder() {
      this(Color.black, 6);
   }
   public HandleBorder(Color lineColor, int thick) {
      this.lineColor = lineColor;
      this.thick = thick;
   }
   public void paintBorder(Component component, 
                                  Graphics g, int x, int y, int w, int h) {
      Graphics copy = g.create();
      if(copy != null) {
         try {
            copy.translate(x,y);
            paintRectangle(component,copy,w,h);
            paintHandles(component,copy,w,h);
         }
         finally {
            copy.dispose();
         }
      }
   }
   public Insets getBorderInsets() {
      return new Insets(thick,thick,thick,thick);
   }
   protected void paintRectangle(Component c, Graphics g,
                           int w, int h) {
      g.setColor(lineColor);
      g.drawRect(thick/2,thick/2,w-thick-1,h-thick-1);
   }
   protected void paintHandles(Component c, Graphics g,
                           int w, int h) {
      g.setColor(lineColor);
      g.fillRect(0,0,thick,thick); // upper left
      g.fillRect(w-thick,0,thick,thick); // upper right
      g.fillRect(0,h-thick,thick,thick); // lower left
      g.fillRect(w-thick,h-thick,thick,thick); // lower right
      g.fillRect(w/2-thick/2,0,thick,thick); // mid top
      g.fillRect(0,h/2-thick/2,thick,thick); // mid left
      g.fillRect(w/2-thick/2,h-thick,thick,thick); // mid bottom
      g.fillRect(w-thick,h/2-thick/2,thick,thick); // mid right
   }   
}

示例4 HandleBorder类

HandleBorder类继承自javax.swing.border.AbstractBorder,覆盖paintBorder()和getBorderInsets()方法。尽管HandleBorder的实现不太重要,但是我们可以容易地创建新边框类型,因为Swing使用了策略模式绘制组件边框。

示例5为Swing应用。

import javax.swing.*;
import javax.swing.border.*;
import java.awt.*;
import java.awt.event.*;
public class Test extends JFrame {
   public static void main(String[] args) {
      JFrame frame = new Test();
      frame.setBounds(100, 100, 500, 200);
      frame.setDefaultCloseOperation(JFrame.DISPOSE_ON_CLOSE);
      frame.show();
   }
   public Test() {
      super("Creating a New Border Type");
      Container contentPane = getContentPane();
      JPanel[] panels = { new JPanel(), 
                     new JPanel(), new JPanel() };
      Border[] borders = { new HandleBorder(),
                     new HandleBorder(Color.red, 8),
                     new HandleBorder(Color.blue, 10) };
      contentPane.setLayout(
               new FlowLayout(FlowLayout.CENTER,20,20));
      for(int i=0; i < panels.length; ++i) {
         panels[i].setPreferredSize(new Dimension(100,100));
         panels[i].setBorder(borders[i]);
         contentPane.add(panels[i]);
      }
   }
}

示例5 使用handleBorder

前面的应用创建了三个面板(javax.swing.JPanel实例)和三个边框(HandleBorder实例)。注意通过调用JComponent.setBorder()可以为面板简单设置具体的边框。

回想一下示例2,当JComponent调用Border.paintBorder()时,组件引用传递给组件的边框——一种委托方式。正如我前面提到的,开发人员经常将策略模式与委托共同使用。该HandleBorder类未使用组件引用,但是其他边框会用到引用从组件获取信息。比如示例6为这种类型边框javax.swing.border.EtchedBorder的paintBorder()方法:

// The following listing is from
// javax.swing.border.EtchedBorder
public void paintBorder(Component component, Graphics g, int x, int y, 
                         int width, int height) {
   int w = width;
   int h = height;
   
   g.translate(x, y);
   
   g.setColor(etchType == LOWERED? getShadowColor(component) : getHighlightColor(component));
   g.drawRect(0, 0, w-2, h-2);
   
   g.setColor(etchType == LOWERED? getHighlightColor(component) : getShadowColor(component));
   g.drawLine(1, h-3, 1, 1);
   g.drawLine(1, 1, w-3, 1);
   
   g.drawLine(0, h-1, w-1, h-1);
   g.drawLine(w-1, h-1, w-1, 0);
   
   g.translate(-x, -y);
}

示例6 从组件获取信息的Swing边框

javax.swing.border.EtchedBorder.paintBorder()方法使用它的组件引用获取组件的阴影和高亮颜色信息。

实现策略模式

策略模式相对比较简单,在软件中容易实现:

  1. 为你的策略对象定义Strategy接口
  2. 编写ConcreteStrategy类实现Strategy接口
  3. 在你的Context类中,保持对“`Strategy“对象的私有引用。
  4. 在你的Context类中,实现Strategy对象的settter和getter方法。

Strategy接口定义了Strategy对象的行为;比如Swing边框的Strategy接口为javax.swing.Border接口。

具体的ConcreteStrategy类实现了Strategy接口;比如,Swing边框的LineBorder和EtchedBorder类为ConcreteStrategy类。Context类使用Strategy对象;比如JComponent类为Context对象。

你也可以检查一下你现有的类,看看它们是否是紧耦合的,这时可以考虑使用策略对象。通常情况下,这些包括switch语句的需要改进的地方与我在文章开头讨论的非常相似。

作业

一些Swing组件的渲染和编辑条件比其他的更加复杂。讨论如何在列表类(javax.swing.JList)使用策略模式渲染列表项。

上一次的作业

上一次的作业要求重新实现TableBubbleSortDecorator。在“装饰你的代码”一文首先讨论了JDK内建的对代理模式的支持。

简单来说,我创建了抽象类Decorator实现java.lang.reflect.InvocationHandler接口。Decorator类引用了装饰对象(或者说代理模式中的真实对象)。示例1H为Decorator类。

import java.lang.reflect.InvocationHandler;
public abstract class Decorator implements InvocationHandler {
   // The InvocationHandler interface defines one method:
   // invoke(Object proxy, Method method, Object[] args). That
   // method must be implemented by concrete (meaning not 
   // abstract) extensions of this class.
   private Object decorated;
   protected Decorator(Object decorated) {
      this.decorated = decorated;
   }
   protected synchronized Object getDecorated() {
      return decorated;
   }
   protected synchronized void setDecorated(Object decorated) {
      this.decorated = decorated;
   }
}

示例1H 抽象装饰器类

尽管Decorator类实现了InvocationHandler接口,但是它没有实现该接口的唯一方法invoke(Object proxy, Method method, Object[] methodArguments)。因为Decorator类是抽象的,Decorator的扩展是具体类的话必须实现invoke()方法。

Decorator类是所有装饰器的基类。示例2H为Decorator类的扩展,具体的表排序装饰器。注意TableSortDecorator没有实现invoke()方法,它是抽象的。

import javax.swing.table.TableModel;
import javax.swing.event.TableModelListener;
public abstract class TableSortDecorator 
                                 extends Decorator 
                                 implements TableModelListener {
   // Concrete extensions of this class must implement 
   // tableChanged from TableModelListener
   abstract public void sort(int column);
   public TableSortDecorator(TableModel realModel) {
      super(realModel);
   }
}

示例2H 修正的TableSortDecorator

现在可以使用JDK内建的对代理模式的支持实现TableBubbleSortDecorator:

import java.lang.reflect.Method;
import javax.swing.table.TableModel;
import javax.swing.event.TableModelEvent;
public class TableBubbleSortDecorator extends TableSortDecorator {
   private int indexes[];
   private static String GET_VALUE_AT = "getValueAt";
   private static String SET_VALUE_AT = "setValueAt";
   public TableBubbleSortDecorator(TableModel model) {
      super(model);
      allocate();
   }
   // tableChanged is defined in TableModelListener, which
   // is implemented by TableSortDecorator.
   public void tableChanged(TableModelEvent e) {
      allocate();   
   }
   // invoke() is defined by the java.lang.reflect.InvocationHandler
   // interface; that interface is implemented by the 
   // (abstract) Decorator class. Decorator is the superclass
   // of TableSortDecorator.
   public Object invoke(Object proxy, Method method, 
                                         Object[] args) {
      Object result = null;
      TableModel model = (TableModel)getDecorated();
      if(GET_VALUE_AT.equals(method.getName())) {
         Integer row = (Integer)args[0], 
                 col = (Integer)args[1];
         result = model.getValueAt(indexes[row.intValue()], 
                                           col.intValue());
      }
      else if(SET_VALUE_AT.equals(method.getName())) {
         Integer row = (Integer)args[1],
                 col = (Integer)args[2];
         model.setValueAt(args[0], indexes[row.intValue()],
                                   col.intValue());
      }
      else {
         try {
            result = method.invoke(model, args);
         }
         catch(Exception ex) {
            ex.printStackTrace(System.err);
         }
      }
      return result;
   }
   // The following methods perform the bubble sort ...
   public void sort(int column) {
      TableModel model = (TableModel)getDecorated();
      int rowCount = model.getRowCount();
      for(int i=0; i < rowCount; i++) {
         for(int j = i+1; j < rowCount; j++) {
            if(compare(indexes[i], indexes[j], column) < 0) {
               swap(i,j);
            }
         }
      }
   }
   private void swap(int i, int j) {
      int tmp = indexes[i];
      indexes[i] = indexes[j];
      indexes[j] = tmp;
   }
   private int compare(int i, int j, int column) {
      TableModel realModel = (TableModel)getDecorated();
      Object io = realModel.getValueAt(i,column);
      Object jo = realModel.getValueAt(j,column);
      int c = jo.toString().compareTo(io.toString());
      return (c < 0) ? -1 : ((c > 0) ? 1 : 0);
   }
   private void allocate() {
      indexes = new int[((TableModel)getDecorated()).
                          getRowCount()];
      for(int i=0; i < indexes.length; ++i) {
         indexes[i] = i;         
      }
   }
}

示例3H 修正的TableBubbleSortDecorator

使用JDK内建的对代理模式的支持和设计良好的基类,通过继承Decorator及实现invoke()方法很容易实现装饰器。

邮件

给我的一封邮件里这样写到:

根据我在树上选择的节点工具栏要显示特定的按钮。我创建了工具栏装饰器,它的构造函数参数为JToolBar工具栏。装饰器包含一个showButtonForNode()方法根据节点改变按钮。我调用在树的选择监听器的valueChanged()方法中调用showButtonForNode()方法。
这样使用装饰器模式正确吗?

很多设计模式可以达到功能扩展的目的;比如在Java设计模式中,你已经知道如何使用代理模式,装饰器模式和策略模式来扩展功能。由于他们都可以实现相同的目标(功能扩展),在具体情况下使用哪个模式就很难判断。

装饰器模式的主要解决问题的点在于:在运行时结合多种行为;比如理解代理设计模式一文的“上一次得作业”部分,我展示了Swing表格排序和过滤相结合的方法。

TableSortDecorator sortDecorator = new TableBubbleSortDecorator(table.getModel());
TableFilterDecorator filterDecorator = new TableHighPriceFilter(sortDecorator);
table.setModel(filterDecorator);

前面的代码中,过滤装饰器装饰了排序装饰器,排序装饰器装饰了表格模型;结果表格模型可以排序和过滤数据。

对于邮件中的问题,使用工具栏按钮与其他行为组合不太合适,所以装饰器模式可能不合适。这种情况代理模式看来更好,在编译阶段而不是运行时就可以获取代理和真实对象的关系,从而扩展功能。

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