【原】技術(shù)圖文：03 結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式（上）

老馬的程序人生 2020-11-14

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結(jié)構(gòu)型設(shè)計(jì)模式（上）

本教程主要介紹一系列用于如何將現(xiàn)有類或?qū)ο蠼M合在一起形成更加強(qiáng)大結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié),。

知識(shí)結(jié)構(gòu)：

享元模式 -- 實(shí)現(xiàn)對(duì)象的復(fù)用

Sunny 軟件公司欲開發(fā)一個(gè)圍棋軟件,，其界面效果如下圖所示：

圖2 圍棋軟件界面效果圖

Sunny 軟件公司開發(fā)人員通過對(duì)圍棋軟件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在圍棋棋盤中包含大量的黑子和白子,，它們的形狀,、大小都一模一樣，只是出現(xiàn)的位置不同而已,。

如果將每一個(gè)棋子都作為一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象存儲(chǔ)在內(nèi)存中，將導(dǎo)致圍棋軟件在運(yùn)行時(shí)所需內(nèi)存空間較大,，如何降低運(yùn)行代價(jià),、提高系統(tǒng)性能是 Sunny 公司開發(fā)人員需要解決的一個(gè)問題。

為了節(jié)約存儲(chǔ)空間,，提高系統(tǒng)性能，Sunny 公司開發(fā)人員使用共享技術(shù)來設(shè)計(jì)圍棋軟件中的棋子,，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖3 圍棋棋子結(jié)構(gòu)圖

Chessman充當(dāng)抽象享元類,，WhiteChessman和BlackChessman是具體享元類,，ChessmanFactory是享元工廠類,。

在實(shí)現(xiàn)該類時(shí),，使用了 單列模式 和 簡(jiǎn)單工廠模式,，確保了工廠對(duì)象的唯一性，并提供工廠方法來向客戶端返回共享對(duì)象,。

將棋子的位置Coordinates定義為棋子的一個(gè)外部狀態(tài)，在需要時(shí)再進(jìn)行設(shè)置,，這樣即解決了黑子和白子的共享，又解決了顯示不同位置的問題,。

完整代碼如下：

（1）棋子位置類（坐標(biāo)類）：

public class Coordinates
{
    public int X { get; set; }
    public int Y { get; set; }
    public Coordinates(int x, int y)
    {
        X = x;
        Y = y;
    }
    public override string ToString()
    {
        return X + "," + Y;
    }
}

（2）棋子類：

//棋子抽象類
public abstract class Chessman
{
    public abstract string Color { get; }
    public void Display(Coordinates coord)
    {
        Console.WriteLine("棋子顏色:{0},位置:{1}", Color, coord);
    }
}

//白色棋子實(shí)體類
public class WhiteChessman : Chessman
{
    public override string Color
    {
        get { return "白色"; }
    }
}

//黑色棋子實(shí)體類
public class BlackChessman : Chessman
{
    public override string Color
    {
        get { return "黑色"; }
    }
}

（3）圍棋棋子工廠類：

public class ChessmanFactory
{
    private static readonly ChessmanFactory Instance = new ChessmanFactory();
    private static Hashtable _ht; //使用HashTable來存儲(chǔ)共享對(duì)象
    private ChessmanFactory()
    {
        _ht = new Hashtable();
        Chessman black = new BlackChessman();
        Chessman white = new WhiteChessman();
        _ht.Add("b", black);
        _ht.Add("w", white);
    }
    //返回共享工廠的唯一實(shí)例
    public static ChessmanFactory GetInstance()
    {
        return Instance;
    }
    //通過key獲取存儲(chǔ)在HashTable中的共享對(duì)象
    public Chessman GetChessman(string color)
    {
        return _ht[color] as Chessman;
    }
}

（4）客戶端：

static void Main(string[] args)
{
    ChessmanFactory factory = ChessmanFactory.GetInstance();
    Chessman black1 = factory.GetChessman("b");
    Chessman black2 = factory.GetChessman("b");
    Chessman black3 = factory.GetChessman("b");
    Console.WriteLine("判斷兩顆黑子是否相同：{0}", object.ReferenceEquals(black1, black2));
    Chessman white1 = factory.GetChessman("w");
    Chessman white2 = factory.GetChessman("w");
    Console.WriteLine("判斷兩顆白子是否相同：{0}", object.ReferenceEquals(white1, white2));
    black1.Display(new Coordinates(1, 2));
    black2.Display(new Coordinates(3, 4));
    black3.Display(new Coordinates(1, 3));
    white1.Display(new Coordinates(2, 5));
    white2.Display(new Coordinates(2, 4));
}

輸出結(jié)果如下圖所示：

圖4 運(yùn)行結(jié)果

從輸出結(jié)果可以看出,，雖然我們獲取了三個(gè)黑子對(duì)象和兩個(gè)白子對(duì)象,，但是它們的內(nèi)存地址相同,，也就是說，它們實(shí)際上是同一個(gè)對(duì)象,。

在每次調(diào)用display()方法時(shí),，由于設(shè)置了不同的外部狀態(tài)，所以顯示在棋盤的不同位置,。

若一個(gè)軟件系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的對(duì)象數(shù)量太多,，將導(dǎo)致運(yùn)行代價(jià)過高，帶來系統(tǒng)性能下降等問題,。為了避免系統(tǒng)中出現(xiàn)大量相同或相似的對(duì)象，同時(shí)又不影響客戶端程序通過面向?qū)ο蟮姆绞綄?duì)這些對(duì)象進(jìn)行操作,，享元模式 因此誕生,。

享元模式（Flyweight Pattern）：通過共享技術(shù)實(shí)現(xiàn)相同或相似對(duì)象的重用，存儲(chǔ)這些對(duì)象的地方稱為享元池（Flyweight Pool）,。

享元模式 以共享的方式高效地支持大量細(xì)粒度對(duì)象的重用,，享元對(duì)象能做到共享的關(guān)鍵是區(qū)分了內(nèi)部狀態(tài)（Intrinsic State）和外部狀態(tài)（Extrinsic State）。

內(nèi)部狀態(tài)是存儲(chǔ)在享元對(duì)象內(nèi)部并且不會(huì)隨著環(huán)境改變而改變的狀態(tài),，內(nèi)部狀態(tài)可以共享,。
外部狀態(tài)是隨環(huán)境改變而改變的、不可以共享的狀態(tài),。通常由客戶端保存,，并在創(chuàng)建享元對(duì)象之后，需要使用時(shí)傳入到享元對(duì)象內(nèi)部,。每個(gè)外部狀態(tài)之間都是相互獨(dú)立的,。

我們可以將具有相同內(nèi)部狀態(tài)的對(duì)象存儲(chǔ)在享元池中,，享元池中的對(duì)象是可以共享的，需要的時(shí)候就將對(duì)象從享元池中取出,，實(shí)現(xiàn)對(duì)象的復(fù)用,。通過向取出對(duì)象注入不同的外部狀態(tài)，可以得到一系列相似的對(duì)象,，而這些對(duì)象在內(nèi)存中實(shí)際上只存儲(chǔ)一份,。

享元模式 結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般與 簡(jiǎn)單工廠模式 一起使用,，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖5 享元模式類圖

Flyweight（抽象享元類）：通常是一個(gè)接口或抽象類,，在抽象享元類中要將內(nèi)部狀態(tài)和外部狀態(tài)分開處理，通常將內(nèi)部狀態(tài)作為享元類的屬性,，而外部狀態(tài)通過注入的方式添加到享元類中,。
ConcreteFlyweight（實(shí)體享元類）：它實(shí)現(xiàn)/繼承了抽象享元類,，其實(shí)例稱為享元對(duì)象,。
UnsharedConcreteFlyweight（非共享實(shí)體享元類）：并不是所有的抽象享元類的子類都需要被共享，不能被共享的子類可設(shè)計(jì)為非共享實(shí)體享元類,，當(dāng)需要一個(gè)非共享實(shí)體享元類的對(duì)象時(shí)可以直接通過實(shí)例化創(chuàng)建,。
FlyweightFactory（享元工廠類）：用于創(chuàng)建并管理享元對(duì)象，它針對(duì)抽象享元類編程,，將各種類型的實(shí)體享元對(duì)象存儲(chǔ)在一個(gè)享元池中,，享元池一般設(shè)計(jì)為一個(gè)存儲(chǔ)“鍵值對(duì)”的集合，可以結(jié)合 簡(jiǎn)單工廠模式 進(jìn)行設(shè)計(jì),。當(dāng)用戶請(qǐng)求一個(gè)實(shí)體享元對(duì)象時(shí),，享元工廠提供一個(gè)存儲(chǔ)在享元池中已經(jīng)創(chuàng)建的實(shí)例或者創(chuàng)建一個(gè)新的實(shí)例（如果不存在的話），返回新創(chuàng)建的實(shí)例并將其存儲(chǔ)在享元池中,。在一個(gè)系統(tǒng)中,，通常只有唯一一個(gè)享元工廠，因此可以使用 單例模式 進(jìn)行享元工廠類的設(shè)計(jì),。

注意：享元模式 需要維護(hù)一個(gè)記錄了系統(tǒng)已有的所有享元對(duì)象的列表,，而這本身需要耗費(fèi)資源。另外,，為了使享元對(duì)象可以共享,，需要將一些狀態(tài)外部化，使得程序邏輯復(fù)雜化,。因此,，應(yīng)當(dāng)在有足夠多的實(shí)例對(duì)象可供共享時(shí)才值得使用享元模式。

享元模式與字符串

在 C# 語(yǔ)言中,，如果每次執(zhí)行類似string str1 = “abcd”的操作時(shí)都創(chuàng)建一個(gè)新的字符串對(duì)象將導(dǎo)致內(nèi)存開銷很大,，因此如果第一次創(chuàng)建了內(nèi)容為“abcd”的字符串對(duì)象str1,，下一次再創(chuàng)建相同的字符串對(duì)象str2時(shí)會(huì)將它的引用指向str1，不會(huì)重新分配內(nèi)存空間,，從而實(shí)現(xiàn)了“abcd”在內(nèi)存中的共享,。

見以下程序代碼：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
       string str1 = "abcd";
       string str2 = "abcd";
       string str3 = "ab" + "cd";
       string str4 = "ab";
       str4 += "cd";

       Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(str1, str2));
       Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(str1, str3));
       Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(str1, str4));
       Console.WriteLine(str1 == str4);
       Console.WriteLine(str1.Equals(str4));
       str2 += "e";
       Console.WriteLine(object.ReferenceEquals(str1, str2));
    }
}

圖6 程序運(yùn)行結(jié)果

前兩個(gè)輸出語(yǔ)句均為True，說明str1,，str2,，str3在內(nèi)存中引用了相同的對(duì)象。
字符串str4的初值為“ab”,，再對(duì)它進(jìn)行操作str4 += “cd”,，此時(shí)雖然str4的內(nèi)容與str1相同，但是由于str4的初始值不同,，在創(chuàng)建str4時(shí)重新分配了內(nèi)存,，所以第三個(gè)輸出語(yǔ)句結(jié)果為false。
最后一個(gè)輸出語(yǔ)句也為false,，說明當(dāng)對(duì)str2進(jìn)行修改時(shí)將創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象,，修改工作在新對(duì)象上完成，而原來引用的對(duì)象并沒有發(fā)生任何改變,，str1仍然引用原有對(duì)象,，而str2引用新對(duì)象，str1與str2引用了兩個(gè)完全不同的對(duì)象（Copy On Write）,。

注：string類型是一個(gè)特殊的引用類型,，它的判斷不同于其它引用類型去比較對(duì)象引用是否指向堆中同一實(shí)例，而是和值類型判斷一致,，比較對(duì)象內(nèi)容是否一一相等,。

外觀模式 -- 為外部調(diào)用提供統(tǒng)一入口

Sunny 軟件公司欲開發(fā)一個(gè)可應(yīng)用于多個(gè)系統(tǒng)的文件加密模塊，該模塊可以對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并將加密之后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)新文件中,，具體的流程包括三個(gè)部分,，分別是讀取源文件、加密,、保存加密之后的文件,，其中，讀取文件和保存文件使用流來實(shí)現(xiàn),，加密操作通過求模運(yùn)算實(shí)現(xiàn),。

這三個(gè)操作相對(duì)獨(dú)立，為了實(shí)現(xiàn)代碼的獨(dú)立重用,，讓設(shè)計(jì)更符合 單一職責(zé)原則,，這三個(gè)操作的業(yè)務(wù)代碼封裝在三個(gè)不同的類中。

通過分析，得到軟件結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖7 文件加密模塊結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)代碼如下：

（1）FileReader：充當(dāng)文件讀取的子系統(tǒng)類,。

internal class FileReader
{
    public string Read(string fileNameSrc)
    {
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        try
        {
            FileStream fs = new FileStream(fileNameSrc, FileMode.Open);
            int data;
            while ((data = fs.ReadByte()) != -1)
            {
                sb.Append((char) data);
            }
            fs.Close();
        }
        catch (Exception e)
        {
            Console.WriteLine("讀取文件錯(cuò)誤:" + e.Message);
            return null;
        }
        Console.WriteLine("讀取文件,，獲取明文：" + sb);
        return sb.ToString();
    }
}

（2）FileWriter：充當(dāng)文件保存的子系統(tǒng)類。

internal class FileWriter
{
    public void Write(string encryptStr, string fileNameDes)
    {
       try
       {
          FileStream fs = new FileStream(fileNameDes, FileMode.Create);
          byte[] str = Encoding.Default.GetBytes(encryptStr);
          fs.Write(str, 0, str.Length);
          fs.Flush();
          fs.Close();
       }
       catch (Exception e)
       {
          string info = "保存文件錯(cuò)誤：" + e.Message;
          Console.WriteLine(info);
          return;
       }
       Console.WriteLine("保存密文,，寫入文件,。");
    }
}

（3）CipherMachine：充當(dāng)數(shù)據(jù)加密的子系統(tǒng)類。

internal class CipherMachine
{
    public string Encrypt(string plainText)
    {
        Console.Write("數(shù)據(jù)加密,，將明文轉(zhuǎn)換為密文：");
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        char[] chars = plainText.ToCharArray();
        foreach (char ch in chars)
        {
            sb.Append((ch%7));
        }
        Console.WriteLine(sb);
        return sb.ToString();
    }
}

（4）EncryptFacade：充當(dāng)加密外觀類,，為外部調(diào)用提供統(tǒng)一入口。

public class EncryptFacade
{     
    private readonly FileReader _reader;
    private readonly CipherMachine _cipher;
    private readonly FileWriter _writer;
    
    public EncryptFacade()
    {
        _reader = new FileReader();
        _cipher = new CipherMachine();
        _writer = new FileWriter();
    }    
    
    public void FileEncrypt(string fileNameSrc, string fileNameDes)
    {
        string plainStr = _reader.Read(fileNameSrc);
        if (string.IsNullOrEmpty(plainStr))
        {
            return;
        }
        string encryptStr = _cipher.Encrypt(plainStr);
        _writer.Write(encryptStr, fileNameDes);
    }
}

（5）客戶端代碼：

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        EncryptFacade ef = new EncryptFacade();
        ef.FileEncrypt("src.txt", "des.txt");
    }
}

輸出結(jié)果：

圖8 輸出結(jié)果

在本案例中,，對(duì)文件 src.txt 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,，該文件內(nèi)容為 “Hello world!”，加密之后將密文保存到另一個(gè)文件 des.txt 中,，程序運(yùn)行后保存在文件中的密文為“233364062325”,。

在軟件開發(fā)中，有時(shí)候?yàn)榱送瓿梢豁?xiàng)較為復(fù)雜的功能,，一個(gè)客戶類需要和多個(gè)業(yè)務(wù)類交互,，由于涉及到的類比較多，導(dǎo)致使用時(shí)代碼較為復(fù)雜,，此時(shí),，特別需要一個(gè)角色，由它來負(fù)責(zé)和多個(gè)業(yè)務(wù)類進(jìn)行交互,，而客戶類只需與該類交互。

外觀模式 通過引入一個(gè)外觀類（Facade）來充當(dāng)這個(gè)角色,，為多個(gè)業(yè)務(wù)類的調(diào)用提供統(tǒng)一的入口,，簡(jiǎn)化了類與類之間的交互。在外觀模式中,，那些需要交互的業(yè)務(wù)類被稱為子系統(tǒng)（Subsystem）,。

如果沒有外觀類，那么每個(gè)客戶類需要和多個(gè)子系統(tǒng)之間進(jìn)行復(fù)雜的交互,，系統(tǒng)的耦合度將很大,，如圖 9（A）所示；而引入外觀類之后,，客戶類只需要直接與外觀類交互,，客戶類與子系統(tǒng)之間原有的復(fù)雜關(guān)系由外觀類來實(shí)現(xiàn)，從而降低了系統(tǒng)的耦合度,，如圖 9（B）所示,。

圖9 外觀模式示意圖

外觀模式 并不給系統(tǒng)增加任何新功能，它僅僅是簡(jiǎn)化調(diào)用接口。

外觀模式（Facade Pattern）：又稱為門面模式,，為子系統(tǒng)中的一組接口提供一個(gè)統(tǒng)一的入口,。

外觀模式 是 迪米特法則 的一種具體實(shí)現(xiàn)，通過引入一個(gè)新的外觀角色可以降低原有系統(tǒng)的復(fù)雜度,，同時(shí)降低客戶類與子系統(tǒng)的耦合度,。

外觀模式 的結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖10 外觀模式結(jié)構(gòu)圖

Facade：在 Client 可以調(diào)用它的方法，Facade 知道相關(guān)的（一個(gè)或者多個(gè)） SubSystem 的功能和責(zé)任,；在正常情況下,，它將所有從 Client 發(fā)來的請(qǐng)求委派給相應(yīng)的 SubSystem 處理。
SubSystem：在軟件系統(tǒng)中可以有一個(gè)或者多個(gè) SubSystem,，每個(gè) SubSystem 可以不是一個(gè)單獨(dú)的類,，而是一個(gè)類的集合，它實(shí)現(xiàn) SubSystem 的功能,；每一個(gè) SubSystem 都可以被 Client 直接調(diào)用,，或者被 Facade 調(diào)用；SubSystem 并不知道 Facade 的存在,，對(duì)于 SubSystem 而言,，Facade 僅僅是另外一個(gè) Client 而已。

（1）子系統(tǒng)類

internal class SubSystemA
{
    public void MethodA()
    {
        //業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)代碼
    }
}

internal class SubSystemB
{
    public void MethodB()
    {
        //業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)代碼
    }
}

internal class SubSystemC
{
    public void MethodC()
    {
        //業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)代碼
    }
}

（2）外觀類

public class Facade
{
    private SubSystemA _obj1 = new SubSystemA();
    private SubSystemB _obj2 = new SubSystemB();
    private SubSystemC _obj3 = new SubSystemC();

    public void Method()
    {
        _obj1.MethodA();
        _obj2.MethodB();
        _obj3.MethodC();
    }
}

（3）客戶端

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Facade facade = new Facade();
        facade.Method();
    }
}

抽象外觀類

如果在案例“文件加密模塊”中需要更換一個(gè)加密類,，不再使用原有的基于求模運(yùn)算的加密類CipherMachine,，而改為基于移位運(yùn)算的新加密類NewCipherMachine，其代碼如下：

internal string Encrypt(string plainText)
{
    Console.Write("數(shù)據(jù)加密,，將明文轉(zhuǎn)換為密文：");
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    int key = 10; //設(shè)置密鑰,，移位數(shù)為10
    char[] chars = plainText.ToCharArray();

    foreach (char ch in chars)
    {
        int temp = Convert.ToInt32(ch);
        //小寫字母移位
        if (ch >= 'a' && ch <= 'z')
        {
            temp += key%26;
            if (temp > 122) temp -= 26;
            if (temp < 97) temp += 26;
        }
        //大寫字母移位
        if (ch >= 'A' && ch <= 'Z')
        {
            temp += key%26;
            if (temp > 90) temp -= 26;
            if (temp < 65) temp += 26;
        }
        sb.Append((char) temp));
    }
    Console.WriteLine(sb);
    return sb.ToString();
}

如果不增加新的外觀類，只能通過修改原有外觀類EncryptFacade的源代碼來實(shí)現(xiàn)加密類的更換,，將原有的對(duì)CipherMachine類型對(duì)象的引用改為對(duì)NewCipherMachine類型對(duì)象的引用,，這違背了 開閉原則，因此需要通過增加新的外觀類來實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)對(duì)象引用的改變,。

如果增加一個(gè)新的外觀類NewEncryptFacade來與FileReader,、FileWriter以及新增加的NewCipherMachine類進(jìn)行交互，雖然原有系統(tǒng)類庫(kù)無須做任何修改,，但是因?yàn)榭蛻舳舜a中原來針對(duì)EncryptFacade類進(jìn)行編程,，現(xiàn)在需要改為NewEncryptFacade類，因此需要修改客戶端源代碼,。

如何在不修改客戶端代碼的前提下使用新的外觀類呢,？

圖11 引入抽象外觀類之后的文件加密模塊結(jié)構(gòu)圖

（1）抽象外觀類

public abstract class AbstractEncryptFacade
{
    public abstract void FileEncrypt(string fileNameSrc, string fileNameDes);
}

（2）新增加的實(shí)體外觀類

public class NewEncryptFacade : AbstractEncryptFacade
{
    private readonly FileReader _reader;
    private readonly NewCipherMachine _cipher;
    private readonly FileWriter _writer;

    public NewEncryptFacade()
    {
        _reader = new FileReader();
        _cipher = new NewCipherMachine();
        _writer = new FileWriter();
    }

    public override void FileEncrypt(string fileNameSrc, string fileNameDes)
    {
        string plainStr = _reader.Read(fileNameSrc);
        if (string.IsNullOrEmpty(plainStr))
        {
            return;
        }
        string encryptStr = _cipher.Encrypt(plainStr);
        _writer.Write(encryptStr, fileNameDes);
    }
}

配置文件

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <add key="facade" value="SunnyFacade.NewEncryptFacade"/>
  </appSettings>
</configuration>

客戶端

using System.Configuration;
using System.Reflection;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        string facadeString = ConfigurationManager. AppSettings["facade"];
        AbstractEncryptFacade ef = Assembly.Load("SunnyFacade").CreateInstance(facadeString) 
            as AbstractEncryptFacade;

        if (ef != null)
            ef.FileEncrypt("src.txt", "des.txt");
    }
}

輸出結(jié)果如下：

圖12 輸出結(jié)果

原有外觀類EncryptFacade也需作為抽象外觀類AbstractEncryptFacade類的子類，更換具體外觀類時(shí)只需修改配置文件,，無須修改源代碼,，符合 開閉原則,。

適配器模式 -- 不兼容結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)

Sunny 軟件公司在很久以前曾開發(fā)了一個(gè)算法庫(kù)，里面包含了一些常用的算法,，例如排序算法和查找算法,，在進(jìn)行各類軟件開發(fā)時(shí)經(jīng)常需要重用該算法庫(kù)中的算法。

在為某學(xué)校開發(fā)教務(wù)管理系統(tǒng)時(shí),，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)需要對(duì)學(xué)生成績(jī)進(jìn)行排序和查找,，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)成績(jī)操作接口IScoreOperation，在該接口中聲明了排序方法Sort(int[])和查找方法Search(int[], int),，為了提高排序和查找的效率,，開發(fā)人員決定重用算法庫(kù)中的快速排序算法類QuickSort和二分查找算法類BinarySearch，其中QuickSort的QuickExchangeSort(int[])方法實(shí)現(xiàn)了快速排序,，BinarySearch的BinSearch (int[], int)方法實(shí)現(xiàn)了二分查找,。

由于某些原因，現(xiàn)在 Sunny 公司開發(fā)人員已經(jīng)找不到該算法庫(kù)的源代碼,，無法直接通過復(fù)制和粘貼操作來重用其中的代碼,；部分開發(fā)人員已經(jīng)針對(duì)IScoreOperation接口編程，如果再要求對(duì)該接口進(jìn)行修改或要求大家直接使用QuickSort類和BinarySearch類將導(dǎo)致大量代碼需要修改,。

Sunny 軟件公司開發(fā)人員面對(duì)這個(gè)沒有源碼的算法庫(kù),，遇到一個(gè)幸福而又煩惱的問題：如何在既不修改現(xiàn)有接口又不需要任何算法庫(kù)代碼的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)算法庫(kù)的重用？

圖13 需協(xié)調(diào)的兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)在我們需要IScoreOperation接口能夠和已有算法庫(kù)一起工作,，讓它們?cè)谕粋€(gè)系統(tǒng)中能夠兼容,，最好的實(shí)現(xiàn)方法是增加一個(gè)適配器角色，通過適配器來協(xié)調(diào)這兩個(gè)原本不兼容的結(jié)構(gòu),。

圖14 算法庫(kù)重用結(jié)構(gòu)圖

IScoreOperation接口充當(dāng)抽象目標(biāo),，QuickSort和BinarySearch類充當(dāng)適配者，OperationAdapter充當(dāng)適配器,。

（1）抽象成績(jī)操作類：目標(biāo)接口

public interface IScoreOperation
{
    void Sort(int[] array);
    int Search(int[] array, int key);
}

（2）快速排序類：適配者

public class QuickSort
{
    public void QuickExchangeSort<T>(T[] array) where T : IComparable<T>
    {
        QuickExchangeSort(array, 0, array.Length - 1);
    }

    private void QuickExchangeSort<T>(T[] array, int left, int right) where T : IComparable<T>
    {
        if (left < right)
        {
            T current = array[left];
            int i = left;
            int j = right;
            while (i < j)
            {
                while (array[j].CompareTo(current) > 0 && i < j)
                    j--;
                while (array[i].CompareTo(current) <= 0  && i < j)
                    i++;
                if (i < j)
                {
                    T temp = array[i];
                    array[i] = array[j];
                    array[j] = temp;
                    j--;
                    i++;
                }
            }
            array[left] = array[j];
            array[j] = current;
            
            if (left < j - 1) 
                QuickExchangeSort(array, left, j - 1);
            if (right > j + 1) 
                QuickExchangeSort(array, j + 1, right);
        }
    }
}

（3）二分查找類：適配者

public class BinarySearch
{
    public int BinSearch<T>(T[] array, T key)
        where T : IComparable<T>
    {
        int left = 0;
        int right = array.Length - 1;
        while (left <= right)
        {
            int mid = (left + right)/2;
            
            if (array[mid].CompareTo(key) < 0)
                left = mid + 1;
            else if (array[mid].CompareTo(key) == 0)
                return mid;
            else
                right = mid - 1;
        }
        return -1;
    }
}

（4）操作適配器：適配器

public class OperationAdapter : IScoreOperation
{

    private readonly QuickSort _sortObj;
    private readonly BinarySearch _searchObj;

    public OperationAdapter()
    {
        _sortObj = new QuickSort();
        _searchObj = new BinarySearch();
    }

    public void Sort(int[] array)
    {
        _sortObj.QuickExchangeSort<int>(array);
    }

    public int Search(int[] array, int key)
    {
        return _searchObj.BinSearch<int>(array, key);
    }
}

（5）配置文件

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
   <add key="Adapter" value="SunnyAdapter.OperationAdapter"/>
  </appSettings>
</configuration>

（6）客戶端代碼

using System.Configuration;
using System.Reflection;

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        Assembly assembly = Assembly.Load("SunnyAdapter");
        IScoreOperation scoureOperation = assembly.CreateInstance(ConfigurationManager.AppSettings["Adapter"])
                as IScoreOperation;
                
        if (scoureOperation == null)
            return;

        int[] scores = { 84, 76, 50, 69, 90, 91, 88, 96 };
        
        Console.WriteLine("成績(jī)排序結(jié)果：");
        scoureOperation.Sort(scores);        
        for (int i = 0; i < scores.Length; i++)
        {
            Console.Write(scores[i]+",");
        }
        Console.WriteLine();
        
        Console.WriteLine("查找成績(jī)90：");
        int score = scoureOperation.Search(scores, 90);
        if (score == -1)
            Console.WriteLine("沒有找到成績(jī)90,。");
        else
            Console.WriteLine("找到成績(jī)90。");

        Console.WriteLine("查找成績(jī)92：");
        score = scoureOperation.Search(scores, 92);
        if (score == -1)
            Console.WriteLine("沒有找到成績(jī)92,。");
        else
            Console.WriteLine("找到成績(jī)92。");
    }
}

圖15 運(yùn)行結(jié)果

如果需要使用其它排序算法類和查找算法類,，可以增加一個(gè)新的適配器類,，使用新的適配器來適配新的算法，原有代碼無須修改,。

通過引入配置文件和反射機(jī)制,，可以在不修改客戶端代碼的情況下使用新的適配器，無須修改源代碼,，符合“開閉原則”,。

適配器模式（Adpter Pattern）將一個(gè)接口轉(zhuǎn)換成客戶希望的另一個(gè)接口，使接口不兼容的那些類可以一起工作，其別名為包裝器（Wrapper）,。

在 適配器模式 中引入了一個(gè)被稱為適配器（Adapter）的包裝類,，而它所包裝的對(duì)象稱為適配者（Adaptee），即被適配的類,。適配器的實(shí)現(xiàn)就是把客戶類的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為對(duì)適配者的相應(yīng)接口的調(diào)用,。從而解決了接口不兼容的問題，使得原本沒有任何關(guān)系的類可以協(xié)同工作,。

根據(jù)適配器類與適配者類的關(guān)系不同,，適配器模式可分為：

對(duì)象適配器（適配器與適配者之間是關(guān)聯(lián)關(guān)系）
類適配器（適配器與適配者之間是繼承或?qū)崿F(xiàn)關(guān)系）

圖16 對(duì)象適配器模式結(jié)構(gòu)圖

（1）目標(biāo)接口

public interface ITarget
{
    void Request();
}

（2）適配者類

public class Adaptee
{
    public void SpecificRequest()
    {
        ;
    }
}

（3）適配器類

public class Adapter : ITarget
{
    private readonly Adaptee _adaptee;

    public Adapter(Adaptee adaptee)
    {
        _adaptee = adaptee;
    }
    
    public void Request()
    {
        _adaptee.SpecificRequest();
    }
}

在對(duì)象適配器中，客戶端需要調(diào)用Request()方法,，而適配者類Adaptee沒有該方法,，但是它所提供的SpecificRequest()方法卻是客戶端所需要的。為了使客戶端能夠使用適配者類,，需要提供一個(gè)包裝類Adapter,，即適配器類。這個(gè)包裝類包裝了一個(gè)適配者的實(shí)例,，從而將客戶端與適配者銜接起來,，在適配器的Request()方法中調(diào)用適配者的SpecificRequest()方法。

圖17 類適配器模式結(jié)構(gòu)圖

public class Adapter : Adaptee, ITarget
{
    public void Request()
    {
        base.SpecificRequest();
    }
}

適配器模式包含以下 3 個(gè)角色：

ITarget（目標(biāo)接口）：定義客戶所需接口,。
Adaptee（適配者類）：即被適配的角色,，它定義了一個(gè)已經(jīng)存在的接口，這個(gè)接口需要適配,，適配者類一般是一個(gè)具體類,，包含了客戶希望使用的業(yè)務(wù)方法，在某些情況下可能沒有適配者類的源碼,。
Adapter（適配器類）：適配器可以調(diào)用另一個(gè)接口,，作為一個(gè)轉(zhuǎn)換器，對(duì)Adaptee和ITarget進(jìn)行適配,，它通過實(shí)現(xiàn)ITarget并關(guān)聯(lián)/繼承一個(gè)Adaptee 對(duì)象/類使二者產(chǎn)生聯(lián)系,。

由于Java、C#等語(yǔ)言不支持多重類繼承,，因此類適配器的使用受到很多限制,，例如如果目標(biāo)ITarget不是接口,，而是一個(gè)類,，就無法使用類適配器,；此外，如果適配者Adaptee為sealed類,，也無法使用類適配器,。在C#等面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言中,，大部分情況下我們使用的是對(duì)象適配器，類適配器較少使用,。

橋接模式 -- 處理多維度變化

Sunny 軟件公司欲開發(fā)一個(gè)跨平臺(tái)圖像瀏覽系統(tǒng),，要求該系統(tǒng)能夠顯示 BMP、JPG,、GIF,、PNG 等多種格式的文件，并且能夠在 Windows,、Linux,、Unix 等多個(gè)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。

系統(tǒng)首先將各種格式的文件解析為像素矩陣（Matrix）,，然后將像素矩陣顯示在屏幕上,，在不同的操作系統(tǒng)中可以調(diào)用不同的繪制函數(shù)來繪制像素矩陣。

系統(tǒng)需具有較好的擴(kuò)展性以支持新的文件格式和操作系統(tǒng),。

Sunny 軟件公司的開發(fā)人員針對(duì)上述要求,，提出了一個(gè)初始設(shè)計(jì)方案，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖18 跨平臺(tái)圖像瀏覽器初始結(jié)構(gòu)圖

在上圖的初始設(shè)計(jì)方案中,，使用了一種多層繼承結(jié)構(gòu),。

Image是抽象父類，而每一種類型的圖像類作為其直接子類,，不同的圖像文件格式具有不同的解析方法,，可以得到不同的像素矩陣；
由于每一種圖像又需要在不同的操作系統(tǒng)中顯示,，不同的操作系統(tǒng)在屏幕上顯示像素矩陣有所差異,，因此需要為不同的圖像類再提供一組在不同操作系統(tǒng)顯示的子類。

對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析,，發(fā)現(xiàn)存在如下兩個(gè)主要問題：

【1】由于采用了多層繼承結(jié)構(gòu),，導(dǎo)致系統(tǒng)中類的個(gè)數(shù)急劇增加，在各種圖像的操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層提供了12個(gè)實(shí)體類,，加上各級(jí)抽象層的類,，系統(tǒng)中類的總個(gè)數(shù)達(dá)到了17個(gè)，在該設(shè)計(jì)方案中,，實(shí)體層的類的個(gè)數(shù) = 所支持的圖像文件格式數(shù) × 所支持的操作系統(tǒng)數(shù),。

【2】系統(tǒng)擴(kuò)展麻煩，由于每一個(gè)實(shí)體類既包含圖像文件格式信息,，又包含操作系統(tǒng)信息，因此無論是增加新的圖像文件格式還是增加新的操作系統(tǒng),，都需要增加大量的實(shí)體類,。

如何解決這兩個(gè)問題,？

談?wù)剝煞N常見文具 “毛筆” 和 “蠟筆” 的區(qū)別。

假如我們需要大中小 3 種型號(hào)的畫筆,，能夠繪制 12 種不同的顏色,。如果使用蠟筆，需要準(zhǔn)備 36支,，如果使用毛筆,，只需要提供 3 種型號(hào)的毛筆，外加 12 個(gè)顏料盒即可,，涉及到的對(duì)象個(gè)數(shù)為 15,，遠(yuǎn)小于36，卻能實(shí)現(xiàn)與36支蠟筆同樣的功能,。如果增加一種新型號(hào)的畫筆,，并且也需要具有 12 種顏色，對(duì)應(yīng)的蠟筆需增加 12支,，而毛筆只需增加 1支,。

為什么會(huì)這樣呢？

通過分析可知：
蠟筆：顏色和型號(hào)兩個(gè)不同的變化維度（即兩個(gè)不同的變化原因）融合在一起,，無論是對(duì)顏色還是對(duì)型號(hào)進(jìn)行擴(kuò)展都勢(shì)必會(huì)影響另一個(gè)維度,；
毛筆：顏色和型號(hào)實(shí)現(xiàn)了分離，增加新的顏色或者型號(hào)對(duì)另一方都沒有任何影響,。
如果使用軟件工程中的術(shù)語(yǔ),，我們可以認(rèn)為在蠟筆中顏色和型號(hào)之間存在較強(qiáng)的耦合性，而毛筆很好地將二者解耦,，使用起來非常靈活,，擴(kuò)展也更為方便。

我們通過分析得知,，該系統(tǒng)也存在兩個(gè)獨(dú)立變化的維度：

圖像文件格式（對(duì)應(yīng)圖像格式的解析）
操作系統(tǒng)（對(duì)應(yīng)像素矩陣的顯示）

圖19 跨平臺(tái)圖像瀏覽器中存在的兩個(gè)獨(dú)立變化維度示意圖

為了減少所需生成的子類數(shù)目,，將這兩個(gè)維度分離，使得它們可以獨(dú)立變化,，增加新的圖像文件格式或者操作系統(tǒng)時(shí)都對(duì)另一個(gè)維度不造成任何影響,。

Sunny 公司開發(fā)人員重構(gòu)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如下圖所示：

圖20 跨平臺(tái)圖像瀏覽器重構(gòu)后的結(jié)構(gòu)圖

完整代碼如下：

//各種格式的文件最終都被轉(zhuǎn)化為像素矩陣,，
//不同的操作系統(tǒng)提供不同的方式顯示像素矩陣,。
public class Matrix
{
    //...
}

“實(shí)現(xiàn)類”層次結(jié)構(gòu)：

public abstract class ImageImp
{
    public abstract void DoPaint(Matrix m);  
}

public class LinuxImp : ImageImp
{
    public override void DoPaint(Matrix m)
    {
        Console.WriteLine("在Linux操作系統(tǒng)中顯示圖像。");
    }
}

public class UnixImp : ImageImp
{
    public override void DoPaint(Matrix m)
    {
        Console.WriteLine("在Unix操作系統(tǒng)中顯示圖像,。");
    }
}

public class WindowsImp : ImageImp
{
    public override void DoPaint(Matrix m)
    {
        Console.WriteLine("在Windows操作系統(tǒng)中顯示圖像,。");
    }
}

“抽象類”層次結(jié)構(gòu)：

public abstract class Image
{
    protected ImageImp Imp;

    public void SetImageImp(ImageImp imp)
    {
        this.Imp = imp;
    }

    public abstract void ParseFile(string fileName);
}

public class BmpImage : Image
{
    public override void ParseFile(string fileName)
    {
        Matrix m = new Matrix();
        Imp.DoPaint(m);
        Console.WriteLine(fileName + "，格式為BMP,。");
    }
}

public class GifImage : Image
{
    public override void ParseFile(string fileName)
    {
        Matrix m = new Matrix();
        Imp.DoPaint(m);
        Console.WriteLine(fileName + ",，格式為GIF,。");
    }
}

public class JpgImage:Image
{
    public override void ParseFile(string fileName)
    {
        Matrix m = new Matrix();
        Imp.DoPaint(m);
        Console.WriteLine(fileName+ "，格式為JPG,。");
    }
}

public class PngImage : Image
{
    public override void ParseFile(string fileName)
    {
        Matrix m = new Matrix();
        Imp.DoPaint(m);
        Console.WriteLine(fileName + ",，格式為PNG。");
    }
}

配置文件代碼：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <add key="image" value="SunnyBridge.BmpImage"/>
    <add key="os" value="SunnyBridge.LinuxImp"/>
  </appSettings>
</configuration>

客戶端代碼：

using System.Reflection;
using System.Configuration;
class Program
{
  static void Main(string[] args)
  {
    string image = ConfigurationManager.AppSettings["image"];
    string os =  ConfigurationManager.AppSettings["os"];
    
    Assembly assembly = Assembly.Load("SunnyBridge");
    Image img = assembly.CreateInstance(image) as Image;
    ImageImp imageImp = assembly.CreateInstance(os) as ImageImp;

    if (img != null)
    {
        img.SetImageImp(imageImp);
        img.ParseFile("光頭強(qiáng)");
    }
  }
}

輸出結(jié)果如下圖所示：

圖21 運(yùn)行結(jié)果

如果需要更換圖像文件格式或者更換操作系統(tǒng),，只需修改配置文件即可,，在實(shí)際使用時(shí)，可以通過分析圖像文件格式后綴名來確定具體的文件格式,，在程序運(yùn)行時(shí)獲取操作系統(tǒng)信息來確定操作系統(tǒng)類型,，無須使用配置文件。

當(dāng)增加新的圖像文件格式或者操作系統(tǒng)時(shí),，原有系統(tǒng)無需做任何修改,，只需增加一個(gè)對(duì)應(yīng)的實(shí)現(xiàn)類即可，系統(tǒng)具有較好的可擴(kuò)展性,，完全符合“開閉原則”,。

橋接模式與多層繼承方案不同，它將兩個(gè)獨(dú)立變化的維度設(shè)計(jì)為兩個(gè)獨(dú)立的繼承等級(jí)結(jié)構(gòu),，并且在抽象層建立一個(gè)抽象關(guān)聯(lián),，該關(guān)聯(lián)關(guān)系類似一條連接兩個(gè)獨(dú)立繼承結(jié)構(gòu)的橋，故名橋接模式,。

橋接模式（Bridge Pattern）：將抽象部分與它的實(shí)現(xiàn)部分分離,，使它們都可以獨(dú)立地變化。
用 抽象關(guān)聯(lián) 取代了傳統(tǒng)的 多繼承,；
將類之間的 靜態(tài)繼承關(guān)系 轉(zhuǎn)換為 動(dòng)態(tài)的對(duì)象組合關(guān)系,；

橋接模式 結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖22 橋接模式類圖

Abstraction（抽象類）：定義了一個(gè)Implementor類型的對(duì)象并可以維護(hù)該對(duì)象，它與Implementor之間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系,，它既可以包含抽象業(yè)務(wù)方法,，也可以包含具體業(yè)務(wù)方法。
RefinedAbstraction（擴(kuò)充抽象類）：實(shí)現(xiàn)了在Abstraction中聲明的抽象業(yè)務(wù)方法,，在RefinedAbstraction中可以調(diào)用在Implementor中定義的業(yè)務(wù)方法,。
Implementor（實(shí)現(xiàn)類接口）：通過關(guān)聯(lián)關(guān)系，在Abstraction中不僅擁有自己的方法,，還可以調(diào)用到Implementor中定義的方法,，使用關(guān)聯(lián)關(guān)系來替代繼承關(guān)系。
ConcreteImplementor（實(shí)體實(shí)現(xiàn)類）：在程序運(yùn)行時(shí),，ConcreteImplementor對(duì)象將替換其父類對(duì)象,，提供給抽象類實(shí)體的業(yè)務(wù)操作方法。

通常情況下，我們將具有兩個(gè)獨(dú)立變化維度的類的一些普通業(yè)務(wù)方法和與之關(guān)系最密切的維度設(shè)計(jì)為“抽象類”層次結(jié)構(gòu)（抽象部分）,，而將另一個(gè)維度設(shè)計(jì)為“實(shí)現(xiàn)類”層次結(jié)構(gòu)（實(shí)現(xiàn)部分）,。

對(duì)于毛筆而言：

型號(hào)是其固有的維度，因此可以設(shè)計(jì)一個(gè)抽象的毛筆類,，在該類中聲明并部分實(shí)現(xiàn)毛筆的業(yè)務(wù)方法，而將各種型號(hào)的毛筆作為其子類,；
顏色是其另一個(gè)維度,，由于它與毛筆之間存在一種“設(shè)置”的關(guān)系，因此我們可以提供一個(gè)抽象的顏色接口,，而將具體的顏色作為實(shí)現(xiàn)該接口的子類,。

結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示：

圖23 橋接模式類圖

橋接模式 中體現(xiàn)了“單一職責(zé)原則”、“開閉原則”,、“合成復(fù)用原則”,、“里氏代換原則”、“依賴倒轉(zhuǎn)原則”等設(shè)計(jì)原則,。熟悉該模式有助于我們深入理解這些設(shè)計(jì)原則,，也有助于我們形成正確的設(shè)計(jì)思想和培養(yǎng)良好的設(shè)計(jì)風(fēng)格。

適配器模式與橋接模式的聯(lián)用

橋接模式：用于系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì),，對(duì)于存在兩個(gè)獨(dú)立變化維度的類可以將其分為抽象化和實(shí)現(xiàn)化兩個(gè)角色,，使它們可以分別進(jìn)行變化；
適配器模式：初步設(shè)計(jì)完成之后,，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)與已有類無法協(xié)同工作時(shí),，可以采用適配器模式，解決兩個(gè)已有接口間不兼容問題,；

某系統(tǒng)的報(bào)表處理模塊中,，需要將報(bào)表顯示和數(shù)據(jù)采集分開，系統(tǒng)可以有多種報(bào)表顯示方式也可以有多種數(shù)據(jù)采集方式,，如可以從文本文件中讀取數(shù)據(jù),，也可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)，還可以從Excel文件中獲取數(shù)據(jù),。如果需要從Excel文件中獲取數(shù)據(jù),，則需要調(diào)用與Excel相關(guān)的API，而這個(gè)API是現(xiàn)有系統(tǒng)所不具備的,，該API由廠商提供,。

在設(shè)計(jì)過程中，由于存在報(bào)表顯示和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)獨(dú)立變化的維度,，因此可以使用 橋接模式 進(jìn)行初步設(shè)計(jì),；為了使用Excel相關(guān)的API來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集則需要使用適配器模式。系統(tǒng)的完整設(shè)計(jì)中需要將兩個(gè)模式聯(lián)用，如下圖所示：

圖24 橋接模式與適配器模式聯(lián)用示意圖