Java设计模式之策略模式的详细介绍
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。
在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——封装变化和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。
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：
为你的策略对象定义
Strategy接口编写
ConcreteStrategy类实现Strategy接口在你的
Context类中，保持对“`Strategy“对象的私有引用。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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