设计模式（五）行为型模式

前言

在上一篇结构型模式中，我们以功能为基本单位，研究了一些设计模式，用于实现功能转换、功能组合、功能封装等目的。

我们知道，面向对象编程有两个核心元素：对象、对象间通信协作。从面向对象的角度看，任何系统和功能，都是由一个个对象，相互分工合作实现的。推而广之，很多系统也都是这样组织和运行的。

本章的设计模式，列举了通用场景下常用功能机制的经典实现方法，讲解了经典实现中是如何高效组织对象、控制对象协作交互的，具有很好的参考价值。

责任链模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/chain-of-responsibility-pattern.html

原理说明

责任链模式，就是把程序处理对象前后排列起来，形成一条处理线。处理线上需要被处理的信息，在处理线上向下传递，任何一个节点都可以随时中断传递。

使用场景

GUI系统中的事件传递机制（在Javascript中叫做事件冒泡），是责任链模式最典型的应用之一。

当某一事件发生时，最顶层GUI对象会首先收到事件，但是它先不处理，而是依次交给命中的子GUI对象处理。当子GUI对象返回为False时，表示事件未被接收，此时父GUI对象才真正对发生的事件进行业务处理。

可以看出，事件传递机制，是一种增强版的责任链模式，它的节点处理权，经历了向下和向上的双向传递过程。

总结：当项目中一个数据对象，需要被多个处理对象进行处理时，可以将处理对象链接起来，然后把数据对象传递给头节点，随着处理的进行，数据对象的处理权会在处理链中流动，从而完成整个处理过程。

使用须知

责任链模式结构适用于需求固定的场景，用于实现简单高效的处理机制。假如需求不断变化，而且功能很复杂，那么用责任链模式很可能就无法胜任了，需要采用新的高复杂度的设计。例如，如果想要数据对象在所有处理对象中根据状态来实现跳转，可以选择使用状态机等其他方案来实现。

本质

责任链模式从本质上说，是一种简单的线性对象组织方式，优点是简单高效。它将处理对象封装集合在一起，实现对数据的集中处理，实现了处理对象的高内聚，降低了处理对象和数据对象的耦合。

命令模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/command-pattern.html

使用场景

想要实现撤销、重做、事务等功能，可以使用此设计模式。通常在编辑器、数据库中有此类功能需求。

原理说明

命令也就是请求，或者叫调用。命令模式要求将请求参数和请求相关的方法封装在一起。

请求对象中封装了实现“撤销”、“重做”、“事务”功能所需要的所有信息，实现了关联信息的高内聚，所以可以实现我们想要的功能。

例如，可以在请求对象中保存修改之前的值、修改之后的值。利用修改之前的值，可以实现“撤销”功能；利用修改之后的值，可以实现“重做”功能。如果将所有请求对象都记录下来，并按照先后顺序排列起来，形成“撤销重做”堆栈，这样就可以实现连续的“撤销”、“重做”。“事务”则是“撤销”与“重做”的结合体，正常执行流程等同于“重做”，发生错误需要回滚，等同于“撤销”。

如果不采用这种方式，会导致实现这些功能的信息，分散在源码中多个地方，或者已经丢失，没有保存，就无法实现“撤销”、“重做”、“事务”功能。

同时，实现请求参数高内聚，也可以很方便地将它们保存到磁盘上，保存到文件的过程叫做“序列化”，从文件中读取的过程叫“反序列化”。这里的序列指的就是二进制流。

Qt中与命令模式相关的部分是：Undo Framework，里面有示例项目，不熟悉的同学可以抽点时间看一看。

本质

命令模式的本质是，将请求相关的信息和操作封装在一起，实现信息的高度内聚，可以方便地实现“撤销”、“重做”、“事务”等功能。

解释器模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/interpreter-pattern.html

原理说明

顾名思义，解释器模式是用来实现解释器的。
解释器是这样一个程序：解释器以符合语法的文本为输入，解释输入内容，完成一定的计算功能。文本可以在程序运行时动态加载，动态解释、动态执行。

使用场景

实现简单的解释器：命令行程序，如ping命令、cd命令等；
实现复杂的解释器：脚本语言解释器，如python，lua，javascript；计算器。

我们知道，在GUI图形用户界面被发明之前，人类和程序之间的交互是通过敲命令行实现的，缺点是使用难度较大，门槛较高。
在GUI发明以后，交互更加友好，电脑更加易于使用了，所以也更加普及了。

但是GUI交互的缺点在于，不够灵活，对参数的控制粒度不够细致。例如，现在大多数开发者都使用集成开发环境来开发软件，一般情况下都使用默认参数，比较方便。但是如果你想要更改某些编译选项，可能还是需要直接修改底层的编译命令。命令相对于GUI元素更加灵活，过于灵活的地方用GUI比较难于实现，例如组合、递归、跳转等等。在这些场景下，使用解释器是非常合适的。但是通常情况下，这个模式并不常用。

本质

解释器模式的本质是，它提出了一种基于文本的、比GUI更加灵活的对外提供功能服务的方式。为了实现这种交互功能，需要以命令文本为参数，把解释、执行的过程封装在解释器内部。

迭代器模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/iterator-pattern.html

使用场景

在需要多次遍历同一个数据集合的时候，为了少些一些for，或者想要把遍历过程封装起来，降低耦合，就可以使用迭代器模式。这个模式非常常用。

原理说明

迭代器就是一个专门用来遍历数组的类。它只需要实现两个接口：hasNext()、next()。
hasNext()接口用于控制循环何时停止；next()接口用于取出当前位置的数据元素，并将遍历指针指向下一个元素。
当然，构造迭代器对象的时候，需要将数据集合传递给迭代器，让迭代器知道要遍历哪些数据。

原本需要用for循环来遍历的代码，现在通过封装，提取出了“遍历”这一功能所需要的必要信息，定义了两个接口，把不必要暴露的信息封装在了迭代器中，妥妥的实现了解耦。

本质

迭代器模式的本质是，为了更好地实现遍历功能，新建一个迭代器类专门封装底层的遍历过程，暴露两个简单的接口，实现遍历功能使用者和底层遍历过程的解耦。

中介者模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/mediator-pattern.html

原理说明

中介者模式是指，在原本直接通信的对象之间，添加一个通信中间层，使对象间通信变为间接通信，降低对象间的耦合。

此模式和代理模式基本思想上是一致的。二者的区别是：代理模式是通过加一个中间层，来实现两个原本很难交互的功能主体，实现顺畅交互；中介者模式是为了降低对象间通信时的耦合而提出的，为的是提高代码的可维护性。

使用场景

比较大的项目中会用到，一般存在于某些框架中。因为大的项目中对象繁多，通信也比较复杂，适合使用中介者模式。

在大的项目中，一般会有一个全局的通信管理器，任何对象都可以使用通信管理器提供的接口，将自己注册为某一个具有唯一ID消息的发送者和接收者。这样发送者只需要发送消息，不需要管谁来接收，不需要拥有发送者的实例指针，发出消息后，已注册的接收者都会收到消息。接收者不需要管信号是谁发的，即不需要拥有发送者的实例指针。

所以，中介者模式也可以叫“通信中介模式”。

本质

中介者模式的本质是：对于信号接收者来说，中介者模式将信号发送者封装了起来；对信号发送者来说，中介者模式将信号接收者封装了起来，实现了通信双方的互相解耦。这是一种优化对象间通信协作的一种设计模式。

备忘录模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/memento-pattern.html

使用场景

这个模式和状态存档功能是绑定在一起的。为了在程序中实现状态存档功能，可以使用备忘录模式。

使用说明

原例子中有三个类，个人觉得没有必要，这里我们简化成两个类，即备忘录模式中有两个类：状态对象类和状态对象管理类。
状态对象类是状态字段是集合，并提供了存取接口；状态对象管理类负责组织和保存状态对象。当然实际实现中可以根据需求增加类，配合使用，完成状态保存恢复。

本质

备忘录模式专注于实现程序中状态的存档功能，它封装了状态的保存与恢复过程，使用者无需关心具体细节。

观察者模式

使用场景

当一个对象会影响到其他多个对象时，即当对象间存在一对多关系时，使用观察者模式。
一般应用于单向通知的场景，如GUI中鼠标事件、按键事件、窗口事件通知。使用Qt中的信号槽机制可以实现此模式。

使用说明

“一”是指发生变化的那个对象，“多”是指需要获取此变化通知的对象组。其中，变化消息是单向地由“一”到“多”传递的。如果不是单向的或者对象间不是一对多的关系，更加复杂，就需要重新思考其他对象间通信模型。

如果不使用此模式，可能会导致观察者不能动态增加或删除；可能会造成发送者的业务代码和接收者的响应代码混在一起，耦合严重。

使用此模式，需要为观察者设计一个基类，并设计一个接收通知的接口，所有观察者需要实现通知接口；所有观察者指针可以保存在队列中，实现动态增删。

本质

观察者模式本质是为了实现对象的“一对多”单向通信，是一种通信模式。它将消息发送者和接收者独立封装，实现了二者的解耦。

状态模式

使用场景

状态模式用于实现状态机。
如果一个程序功能中存在某些状态，在一定情况下，这些状态可以互相转换，并且在转换前后需要作出对应的操作，这种情况下使用状态机来实现就非常合适。

使用说明

如果不使用状态机（状态模式），一般的实现方法是使用一连串的if-else，或者使用长长的switch-case来实现。这样做的缺点，一方面状态判断不够高效，另一方面是业务代码集中在一块，不好维护。

使用状态机，每个状态都是一个类，相关的业务代码分布到各自的状态类中，能够实现不同的状态及与状态相关的业务代码解耦。同时某个状态和下一个状态是关联好的，在状态切换时，效率更高，不需要执行长长的判断。

Qt中已实现状态机框架，The State Machine Framework，在此框架下，我们可以更加专注于业务实现，而不是状态机本身的技术细节。

本质

状态模式的本质是将不同的状态封装成不同的类，实现状态与状态间解耦。

空对象模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/null-object-pattern.html

使用场景

使用基类保存子类对象通常有两种做法：

用基类指针保存子类对象；
用基类对象保存子类对象。

第一种方法用指针是基本方法，但是指针用起来要非常小心，要考虑内存释放的问题。此时空对象就可以用空指针表示。
第二种方法用基类对象保存子类对象，这种方法使用起来相对省心，不用与指针打交道，使用者不用直接管理内存。例如Qt中的Qt XML C++ Classes类的设计就是采用这种方式设计的。这种情况下，因为不使用指针，就需要使用空对象来代替空指针。

使用说明

可以仿造Qt XML中的类进行设计。一般需要提供isNull()接口，对象类型转换接口等。

本质

空对象模式的本质是：使用对象化的形式，封装指针和内存操作，针对实现对象的保存，实现0指针设计，一般用在子类父类的设计中。

策略模式

使用场景

策略模式和桥接模式类似，用于实现功能切换与组合。二者区别在于，策略模式专注于一个功能的不同实现方式；桥接模式专注于多个功能之间的组合。

使用说明

将功能抽象成单独的类，功能切换只需要切换不同的功能子类即可，同一个功能需要实现同一个功能接口。

本质

策略模式的本质是，保持功能接口不变，将不同的功能实现策略封装成子类，可以实现功能策略的切换。

模板模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/template-pattern.html

使用说明

模板模式应该是我们最熟悉的。
这里的模板就是接口类，接口类定义了使用者和功能提供者之间交互的函数列表。子类负责功能的具体实现。

本质

模板模式的本质是：利用C++的虚函数特性，使用接口将具体实现封装了起来，实现了功能对外接口和功能具体实现的解耦。

访问者模式

示例：https://www.runoob.com/design-pattern/visitor-pattern.html

使用场景

访问者模式用于将数据结构与数据操作相分离。

使用说明

访问者模式和迭代器模式类似。迭代器模式一般用来遍历数组，所以没有把for封装起来。而访问者模式可以遍历一切类型的数据结构，具体的遍历过程被封装在接收者内部。同时，对每一个遍历得到的数组元素的操作，被封装在访问者内部。每一种对元素不同的操作，都需要新建一个访问者类。

接收者需要实现accept()接口，访问者需要实现visit()接口。

本质

访问者模式的本质是，封装了数据遍历过程，同时也封装了数据操作过程，以一种高度封装的方式，实现了数据遍历操作功能。

结语

每种设计模式都有使用场景，都有优点和缺点。随着需求的改变，任何一种设计模式可能都将不再适用。