5. 行为模式 - 备忘录模式

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亦称： 快照、Snapshot、Memento

意图

备忘录模式是一种行为设计模式， 允许在不暴露对象实现细节的情况下保存和恢复对象之前的状态。

问题

假如你正在开发一款文字编辑器应用程序。 除了简单的文字编辑功能外， 编辑器中还要有设置文本格式和插入内嵌图片等功能。

后来， 你决定让用户能撤销施加在文本上的任何操作。 这项功能在过去几年里变得十分普遍， 因此用户期待任何程序都有这项功能。 你选择采用直接的方式来实现该功能： 程序在执行任何操作前会记录所有的对象状态， 并将其保存下来。 当用户此后需要撤销某个操作时， 程序将从历史记录中获取最近的快照， 然后使用它来恢复所有对象的状态。

程序在执行操作前保存所有对象的状态快照， 稍后可通过快照将对象恢复到之前的状态。

让我们来思考一下这些状态快照。 首先， 到底该如何生成一个快照呢？ 很可能你会需要遍历对象的所有成员变量并将其数值复制保存。 但只有当对象对其内容没有严格访问权限限制的情况下， 你才能使用该方式。 不过很遗憾， 绝大部分对象会使用私有成员变量来存储重要数据， 这样别人就无法轻易查看其中的内容。

现在我们暂时忽略这个问题， 假设对象都像嬉皮士一样： 喜欢开放式的关系并会公开其所有状态。 尽管这种方式能够解决当前问题， 让你可随时生成对象的状态快照， 但这种方式仍存在一些严重问题。 未来你可能会添加或删除一些成员变量。 这听上去很简单， 但需要对负责复制受影响对象状态的类进行更改。

如何复制对象的私有状态？

还有更多问题。 让我们来考虑编辑器 （Editor） 状态的实际 "快照"， 它需要包含哪些数据？ 至少必须包含实际的文本、 光标坐标和当前滚动条位置等。 你需要收集这些数据并将其放入特定容器中， 才能生成快照。

你很可能会将大量的容器对象存储在历史记录列表中。 这样一来， 容器最终大概率会成为同一个类的对象。 这个类中几乎没有任何方法， 但有许多与编辑器状态一一对应的成员变量。 为了让其他对象能保存或读取快照， 你很可能需要将快照的成员变量设为公有。 无论这些状态是否私有， 其都将暴露一切编辑器状态。 其他类会对快照类的每个小改动产生依赖， 除非这些改动仅存在于私有成员变量或方法中， 而不会影响外部类。

我们似乎走进了一条死胡同： 要么会暴露类的所有内部细节而使其过于脆弱； 要么会限制对其状态的访问权限而无法生成快照。 那么， 我们还有其他方式来实现 "撤销" 功能吗？

解决方案

我们刚才遇到的所有问题都是封装 "破损" 造成的。 一些对象试图超出其职责范围的工作。 由于在执行某些行为时需要获取数据， 所以它们侵入了其他对象的私有空间， 而不是让这些对象来完成实际的工作。

备忘录模式将创建状态快照 （Snapshot） 的工作委派给实际状态的拥有者原发器 （Originator） 对象。 这样其他对象就不再需要从 "外部" 复制编辑器状态了， 编辑器类拥有其状态的完全访问权， 因此可以自行生成快照。

模式建议将对象状态的副本存储在一个名为备忘录 （Memento） 的特殊对象中。 除了创建备忘录的对象外， 任何对象都不能访问备忘录的内容。 其他对象必须使用受限接口与备忘录进行交互， 它们可以获取快照的元数据 （创建时间和操作名称等）， 但不能获取快照中原始对象的状态。

原发器拥有对备忘录的完全访问权限， 负责人则只能访问元数据。

这种限制策略允许你将备忘录保存在通常被称为负责人 （Caretakers） 的对象中。 由于负责人仅通过受限接口与备忘录互动， 故其无法修改存储在备忘录内部的状态。 同时， 原发器拥有对备忘录所有成员的访问权限， 从而能随时恢复其以前的状态。

在文字编辑器的示例中， 我们可以创建一个独立的历史 （History） 类作为负责人。 编辑器每次执行操作前， 存储在负责人中的备忘录栈都会生长。 你甚至可以在应用的 UI 中渲染该栈， 为用户显示之前的操作历史。

当用户触发撤销操作时， 历史类将从栈中取回最近的备忘录， 并将其传递给编辑器以请求进行回滚。 由于编辑器拥有对备忘录的完全访问权限， 因此它可以使用从备忘录中获取的数值来替换自身的状态。

备忘录模式结构

基于嵌套类的实现

该模式的经典实现方式依赖于许多流行编程语言 （例如 C++、 C# 和 Java） 所支持的嵌套类。

1. 原发器 （Originator） 类可以生成自身状态的快照， 也可以在需要时通过快照恢复自身状态。

2. 备忘录 （Memento） 是原发器状态快照的值对象 （value object）。 通常做法是将备忘录设为不可变的， 并通过构造函数一次性传递数据。

3. 负责人 （Caretaker） 仅知道 "何时" 和 "为何" 捕捉原发器的状态， 以及何时恢复状态。

   负责人通过保存备忘录栈来记录原发器的历史状态。 当原发器需要回溯历史状态时， 负责人将从栈中获取最顶部的备忘录， 并将其传递给原发器的恢复 （restoration） 方法。

4. 在该实现方法中， 备忘录类将被嵌套在原发器中。 这样原发器就可访问备忘录的成员变量和方法， 即使这些方法被声明为私有。 另一方面， 负责人对于备忘录的成员变量和方法的访问权限非常有限： 它们只能在栈中保存备忘录， 而不能修改其状态。

基于中间接口的实现

另外一种实现方法适用于不支持嵌套类的编程语言 （没错， 我说的就是 PHP）。

1. 在没有嵌套类的情况下， 你可以规定负责人仅可通过明确声明的中间接口与备忘录互动， 该接口仅声明与备忘录元数据相关的方法， 限制其对备忘录成员变量的直接访问权限。

2. 另一方面， 原发器可以直接与备忘录对象进行交互， 访问备忘录类中声明的成员变量和方法。 这种方式的缺点在于你需要将备忘录的所有成员变量声明为公有。

封装更加严格的实现

如果你不想让其他类有任何机会通过备忘录来访问原发器的状态， 那么还有另一种可用的实现方式。

1. 这种实现方式允许存在多种不同类型的原发器和备忘录。 每种原发器都和其相应的备忘录类进行交互。 原发器和备忘录都不会将其状态暴露给其他类。

2. 负责人此时被明确禁止修改存储在备忘录中的状态。 但负责人类将独立于原发器， 因为此时恢复方法被定义在了备忘录类中。

3. 每个备忘录将与创建了自身的原发器连接。 原发器会将自己及状态传递给备忘录的构造函数。 由于这些类之间的紧密联系， 只要原发器定义了合适的设置器 （setter）， 备忘录就能恢复其状态。

伪代码

本例结合使用了命令模式与备忘录模式， 可保存复杂文字编辑器的状态快照， 并能在需要时从快照中恢复之前的状态。

保存文字编辑器状态的快照。

命令 （command） 对象将作为负责人， 它们会在执行与命令相关的操作前获取编辑器的备忘录。 当用户试图撤销最近的命令时， 编辑器可以使用保存在命令中的备忘录来将自身回滚到之前的状态。

备忘录类没有声明任何公有的成员变量、 获取器 （getter） 和设置器， 因此没有对象可以修改其内容。 备忘录与创建自己的编辑器相连接， 这使得备忘录能够通过编辑器对象的设置器传递数据， 恢复与其相连接的编辑器的状态。 由于备忘录与特定的编辑器对象相连接， 程序可以使用中心化的撤销栈实现对多个独立编辑器窗口的支持。

// 原发器中包含了一些可能会随时间变化的重要数据。它还定义了在备忘录中保存
// 自身状态的方法，以及从备忘录中恢复状态的方法。
class Editor is
    private field text, curX, curY, selectionWidth

    method setText(text) is
        this.text = text

    method setCursor(x, y) is
        this.curX = x
        this.curY = y

    method setSelectionWidth(width) is
        this.selectionWidth = width

    // 在备忘录中保存当前的状态。
    method createSnapshot():Snapshot is
        // 备忘录是不可变的对象；因此原发器会将自身状态作为参数传递给备忘
        // 录的构造函数。
        return new Snapshot(this, text, curX, curY, selectionWidth)

// 备忘录类保存有编辑器的过往状态。
class Snapshot is
    private field editor: Editor
    private field text, curX, curY, selectionWidth

    constructor Snapshot(editor, text, curX, curY, selectionWidth) is
        this.editor = editor
        this.text = text
        this.curX = x
        this.curY = y
        this.selectionWidth = selectionWidth

    // 在某一时刻，编辑器之前的状态可以使用备忘录对象来恢复。
    method restore() is
        editor.setText(text)
        editor.setCursor(curX, curY)
        editor.setSelectionWidth(selectionWidth)

// 命令对象可作为负责人。在这种情况下，命令会在修改原发器状态之前获取一个
// 备忘录。当需要撤销时，它会从备忘录中恢复原发器的状态。
class Command is
    private field backup: Snapshot

    method makeBackup() is
        backup = editor.createSnapshot()

    method undo() is
        if (backup != null)
            backup.restore()
    // ……

备忘录模式适合应用场景

当你需要创建对象状态快照来恢复其之前的状态时， 可以使用备忘录模式。

备忘录模式允许你复制对象中的全部状态 （包括私有成员变量）， 并将其独立于对象进行保存。 尽管大部分人因为 "撤销" 这个用例才记得该模式， 但其实它在处理事务 （比如需要在出现错误时回滚一个操作） 的过程中也必不可少。

当直接访问对象的成员变量、 获取器或设置器将导致封装被突破时， 可以使用该模式。

备忘录让对象自行负责创建其状态的快照。 任何其他对象都不能读取快照， 这有效地保障了数据的安全性。

实现方式

1. 确定担任原发器角色的类。 重要的是明确程序使用的一个原发器中心对象， 还是多个较小的对象。

2. 创建备忘录类。 逐一声明对应每个原发器成员变量的备忘录成员变量。

3. 将备忘录类设为不可变。 备忘录只能通过构造函数一次性接收数据。 该类中不能包含设置器。

4. 如果你所使用的编程语言支持嵌套类， 则可将备忘录嵌套在原发器中； 如果不支持， 那么你可从备忘录类中抽取一个空接口， 然后让其他所有对象通过接口来引用备忘录。 你可在该接口中添加一些元数据操作， 但不能暴露原发器的状态。

5. 在原发器中添加一个创建备忘录的方法。 原发器必须通过备忘录构造函数的一个或多个实际参数来将自身状态传递给备忘录。

   该方法返回结果的类型必须是你在上一步中抽取的接口 （如果你已经抽取了）。 实际上， 创建备忘录的方法必须直接与备忘录类进行交互。

6. 在原发器类中添加一个用于恢复自身状态的方法。 该方法接受备忘录对象作为参数。 如果你在之前的步骤中抽取了接口， 那么可将接口作为参数的类型。 在这种情况下， 你需要将输入对象强制转换为备忘录， 因为原发器需要拥有对该对象的完全访问权限。

7. 无论负责人是命令对象、 历史记录或其他完全不同的东西， 它都必须要知道何时向原发器请求新的备忘录、 如何存储备忘录以及何时使用特定备忘录来对原发器进行恢复。

8. 负责人与原发器之间的连接可以移动到备忘录类中。 在本例中， 每个备忘录都必须与创建自己的原发器相连接。 恢复方法也可以移动到备忘录类中， 但只有当备忘录类嵌套在原发器中， 或者原发器类提供了足够多的设置器并可对其状态进行重写时， 这种方式才能实现。

备忘录模式优缺点

• 你可以在不破坏对象封装情况的前提下创建对象状态快照。
• 你可以通过让负责人维护原发器状态历史记录来简化原发器代码。

• 如果客户端过于频繁地创建备忘录， 程序将消耗大量内存。
• 负责人必须完整跟踪原发器的生命周期， 这样才能销毁弃用的备忘录。
• 绝大部分动态编程语言 （例如 PHP、 Python 和 JavaScript） 不能确保备忘录中的状态不被修改。

与其他模式的关系

• 你可以同时使用命令模式和备忘录模式来实现 "撤销"。 在这种情况下， 命令用于对目标对象执行各种不同的操作， 备忘录用来保存一条命令执行前该对象的状态。

• 你可以同时使用备忘录和迭代器模式来获取当前迭代器的状态， 并且在需要的时候进行回滚。

• 有时候原型模式可以作为备忘录的一个简化版本， 其条件是你需要在历史记录中存储的对象的状态比较简单， 不需要链接其他外部资源， 或者链接可以方便地重建。

代码示例

/**
 * The Memento interface provides a way to retrieve the memento's metadata, such
 * as creation date or name. However, it doesn't expose the Originator's state.
 */
class Memento {
 public:
  virtual ~Memento() {}
  virtual std::string GetName() const = 0;
  virtual std::string date() const = 0;
  virtual std::string state() const = 0;
};

/**
 * The Concrete Memento contains the infrastructure for storing the Originator's
 * state.
 */
class ConcreteMemento : public Memento {
 private:
  std::string state_;
  std::string date_;

 public:
  ConcreteMemento(std::string state) : state_(state) {
    this->state_ = state;
    std::time_t now = std::time(0);
    this->date_ = std::ctime(&now);
  }
  /**
   * The Originator uses this method when restoring its state.
   */
  std::string state() const override {
    return this->state_;
  }
  /**
   * The rest of the methods are used by the Caretaker to display metadata.
   */
  std::string GetName() const override {
    return this->date_ + " / (" + this->state_.substr(0, 9) + "...)";
  }
  std::string date() const override {
    return this->date_;
  }
};

/**
 * The Originator holds some important state that may change over time. It also
 * defines a method for saving the state inside a memento and another method for
 * restoring the state from it.
 */
class Originator {
  /**
   * @var string For the sake of simplicity, the originator's state is stored
   * inside a single variable.
   */
 private:
  std::string state_;

  std::string GenerateRandomString(int length = 10) {
    const char alphanum[] =
        "0123456789"
        "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ"
        "abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";
    int stringLength = sizeof(alphanum) - 1;

    std::string random_string;
    for (int i = 0; i < length; i++) {
      random_string += alphanum[std::rand() % stringLength];
    }
    return random_string;
  }

 public:
  Originator(std::string state) : state_(state) {
    std::cout << "Originator: My initial state is: " << this->state_ << "\n";
  }
  /**
   * The Originator's business logic may affect its internal state. Therefore,
   * the client should backup the state before launching methods of the business
   * logic via the save() method.
   */
  void DoSomething() {
    std::cout << "Originator: I'm doing something important.\n";
    this->state_ = this->GenerateRandomString(30);
    std::cout << "Originator: and my state has changed to: " << this->state_ << "\n";
  }

  /**
   * Saves the current state inside a memento.
   */
  Memento *Save() {
    return new ConcreteMemento(this->state_);
  }
  /**
   * Restores the Originator's state from a memento object.
   */
  void Restore(Memento *memento) {
    this->state_ = memento->state();
    std::cout << "Originator: My state has changed to: " << this->state_ << "\n";
  }
};

/**
 * The Caretaker doesn't depend on the Concrete Memento class. Therefore, it
 * doesn't have access to the originator's state, stored inside the memento. It
 * works with all mementos via the base Memento interface.
 */
class Caretaker {
  /**
   * @var Memento[]
   */
 private:
  std::vector<Memento *> mementos_;

  /**
   * @var Originator
   */
  Originator *originator_;

 public:
     Caretaker(Originator* originator) : originator_(originator) {
     }

     ~Caretaker() {
         for (auto m : mementos_) delete m;
     }

  void Backup() {
    std::cout << "\nCaretaker: Saving Originator's state...\n";
    this->mementos_.push_back(this->originator_->Save());
  }
  void Undo() {
    if (!this->mementos_.size()) {
      return;
    }
    Memento *memento = this->mementos_.back();
    this->mementos_.pop_back();
    std::cout << "Caretaker: Restoring state to: " << memento->GetName() << "\n";
    try {
      this->originator_->Restore(memento);
    } catch (...) {
      this->Undo();
    }
  }
  void ShowHistory() const {
    std::cout << "Caretaker: Here's the list of mementos:\n";
    for (Memento *memento : this->mementos_) {
      std::cout << memento->GetName() << "\n";
    }
  }
};
/**
 * Client code.
 */

void ClientCode() {
  Originator *originator = new Originator("Super-duper-super-puper-super.");
  Caretaker *caretaker = new Caretaker(originator);
  caretaker->Backup();
  originator->DoSomething();
  caretaker->Backup();
  originator->DoSomething();
  caretaker->Backup();
  originator->DoSomething();
  std::cout << "\n";
  caretaker->ShowHistory();
  std::cout << "\nClient: Now, let's rollback!\n\n";
  caretaker->Undo();
  std::cout << "\nClient: Once more!\n\n";
  caretaker->Undo();

  delete originator;
  delete caretaker;
}

int main() {
  std::srand(static_cast<unsigned int>(std::time(NULL)));
  ClientCode();
  return 0;
}

执行结果

Originator: My initial state is: Super-duper-super-puper-super.

Caretaker: Saving Originator's state...
Originator: I'm doing something important.
Originator: and my state has changed to: uOInE8wmckHYPwZS7PtUTwuwZfCIbz

Caretaker: Saving Originator's state...
Originator: I'm doing something important.
Originator: and my state has changed to: te6RGmykRpbqaWo5MEwjji1fpM1t5D

Caretaker: Saving Originator's state...
Originator: I'm doing something important.
Originator: and my state has changed to: hX5xWDVljcQ9ydD7StUfbBt5Z7pcSN

Caretaker: Here's the list of mementos:
Sat Oct 19 18:09:37 2019
 / (Super-dup...)
Sat Oct 19 18:09:37 2019
 / (uOInE8wmc...)
Sat Oct 19 18:09:37 2019
 / (te6RGmykR...)

Client: Now, let's rollback!

Caretaker: Restoring state to: Sat Oct 19 18:09:37 2019
 / (te6RGmykR...)
Originator: My state has changed to: te6RGmykRpbqaWo5MEwjji1fpM1t5D

Client: Once more!

Caretaker: Restoring state to: Sat Oct 19 18:09:37 2019
 / (uOInE8wmc...)
Originator: My state has changed to: uOInE8wmckHYPwZS7PtUTwuwZfCIbz