设计模式学习笔记 - 设计模式与范式 -行为型:4.策略模式(上):如何避免冗长的if-else/switch的分支判断代码

概述

本章我们学习另外一种行为型模式,策略模式。在实际开发中,这个设计模式也比较常用。最场景的应用场景是,利用它来避免冗长的 if-else 或 switch 分支判断。不过,它的作用还不止如此。它也可以像模板模式那样,提供框架的扩展点。


策略模式的原理与实现

策略模式,英文全称是 Strategy Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》中,它是这样定义的:

Define a family of algorithms, encapsulate each one,and make them interchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from clients that user it.

中文翻译:定义一簇算法类,将每个算法分别封装起来,让它们可以相互替代。策略模式可以使算法的变化独立于客户端(这里的客户端指使用算法的代码)。

我们知道,工厂模式是解耦对象的创建和使用,观察者模式是解耦观察者和被观察者。策略模式跟它们类似,也能起到解耦的作用,不过,它解耦的是策略的定义、创建和使用这三部分。接下来,就详细讲讲一个完整的策略模式应该包含的三个部分。

1.策略类的定义

策略类的定义比较简单,包含一个策略接口和一组实现接口的策略类。因为所有的策略类都实现相同的接口,所以,客户端代码基于接口而非实现编程,可以灵活地替换不同的策略。代码如下所示:

java 复制代码
public interface Strategy {
    void algorithmInterface();
}

public class ConcreteStrategyA implements Strategy {
    @Override
    public void algorithmInterface() {
        // 具体的算法...
    }
}

public class ConcreteStrategyB implements Strategy {
    @Override
    public void algorithmInterface() {
        // 具体的算法...
    }
}

2.策略的创建

因为策略模式会包含一组策略,在使用它们的时候,一般会通过类型(type)来判断创建哪个策略来使用。为了封装创建逻辑,需要对客户端代码屏蔽创建细节。可以把根据 type 创建策略的逻辑抽离出来,放到工厂类中。代码如下所示:

java 复制代码
public class StrategyFactory {
    private static final Map<String, Strategy> strategies = new HashMap<>();

    static {
        strategies.put("A", new ConcreteStrategyA());
        strategies.put("B", new ConcreteStrategyB());
    }

    public static Strategy getStrategy(String type) {
        if (type == null || type.isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("type must not be empty");
        }
        return strategies.get(type);
    }
}

一般来讲,策略类都是无状态的,不包含成员变量,只是纯粹的算法,这样的策略对象是可以被共享使用的,不需要在每次调用 getStrategy() 时,都创建一个新的策略对象。针对这种情况,可以使用上面的工厂类的实现方式,事先创建好每个策略对象,缓存到工厂类中,用的时候直接返回。

相反,如果策略类是有状态的,根据业务场景的需要,希望每次从工厂方法中,获得的都是新创建的策略对象,而不是缓存好可共享的策略对象,那就需要按照如下方式来实现策略工厂类。

java 复制代码
public class StrategyFactory1{
    public static Strategy getStrategy(String type) {
        if (type == null || type.isEmpty()) {
            throw new IllegalArgumentException("type must not be empty");
        }
        if (type.equals("A")) {
            return new ConcreteStrategyA();
        } else if (type.equals("B")) {
            return new ConcreteStrategyB();
        }
        return null;
    }
}

3.策略的使用

刚刚讲了定义和创建,现在再看下策略的使用。

策略模式包含一组可选策略,客户端代码一般如何确定使用哪个策略呢?最常见的是运行时动态确定使用哪种策略,这也是策略模式最经典的应用场景。

这里的 "运行时动态" 指的是,事先并不知道会使用哪个策略,而是在程序运行期间,根据配置量、用户输入、计算结果等这些不确定因素,动态决定使用哪种策略。接下来,通过一个例子来解释下。

java 复制代码
// 策略接口:EvictionStrategy
// 策略类:LruEvictionStrategy、FifoEvictionStrategy、LfuEvictionStrategy...
// 策略工厂:EvictionStrategyFactory
public class UserCache {
    private Map<String, User> cacheData = new HashMap<>();
    private EvictionStrategy eviction;

    public UserCache(EvictionStrategy eviction) {
        this.eviction = eviction;
    }

    // ...
}

// 运行时动态确定,根据配置文件的配置决定使用哪种策略
public class Application {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        EvictionStrategy evictionStrategy = null;
        Properties properties = new Properties();
        properties.load(new FileInputStream("./config.properties"));
        String type = properties.getProperty("eviction_type");
        evictionStrategy = EvictionStrategyFactory.getEvictionStrategy(type);
        UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
        // ...
    }
}

// 非运行时动态确定,根据配置文件的配置决定使用哪种策略
public class Application {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // ...
        EvictionStrategy evictionStrategy = new LruEvictionStrategy();
        UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
        // ...
    }
}

从上面的代码可以看出,"非运行时动态确定" ,也就是第二个 Application 中使用的方式,并不能发挥策略模式的优势。在这种应用场景下,策略模式实际上退化成了 "面向对象的多态特性" 或 "基于接口而非实现编程原则"。

如何利用策略避免分支判断?

实际上,能够移除分支判断逻辑的模式不仅仅有策略模式,后面要将的状态模式也可以。对于使用哪种模式,具体还要看应用场景来决定。策略模式适用于根据不同类型的动态,决定使用哪种策略这样一种应用场景。

先通过一个例子来看下,if-else 或 switch 分支判断逻辑是如何产生的。具体代码如下所示。在这个例子中,我们没有使用策略模式,而是将策略的定义、创建、使用直接耦合在一起。

java 复制代码
public class OrderService {
    public double discount(Order order) {
        double discount = 0.0;
        OrderType orderType = order.getOrderType();
        if (orderType.equals(OrderType.NORMAL)) { // 普通订单
            // 省略这块计算算法代码...
        } else if (orderType.equals(OrderType.GROUPON)) { // 团购订单
            // 省略这块计算算法代码...
        } else if (orderType.equals(OrderType.PROMOTION)) { // 促销订单
            // 省略这块计算算法代码...
        }
        return discount;
    }
}

如何来移除分支判断逻辑呢?策略模式就派上用场了。使用策略模式对上面的代码进行重构,将不同类型订单的打折策略设计成策略类,并有工厂类来负责创建策略对象。具体代码如下所示:

java 复制代码
public interface DiscountStrategy {
    double calcDiscount(Order order);
}

public class NormalDiscountStrategy implements DiscountStrategy {
    @Override
    public double calcDiscount(Order order) {
        // 省略这块计算算法代码...
    }
}

// 省略GrouponDiscountStrategy、PromotionDiscountStrategy类代码...

public class DiscountStrategyFactory {
    private static final Map<OrderType, DiscountStrategy> strategies = new HashMap<>();

    static {
        strategies.put(OrderType.NORMAL, new NormalDiscountStrategy());
        strategies.put(OrderType.GROUPON, new GrouponDiscountStrategy());
        strategies.put(OrderType.PROMOTION, new PromotionDiscountStrategy());
    }

    public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType orderType) {
        return strategies.get(orderType);
    }
}

public class OrderService {
    public double discount(Order order) {
        OrderType orderType = order.getOrderType();
        DiscountStrategy discountStrategy = DiscountStrategyFactory.getDiscountStrategy(orderType);
        return discountStrategy.calcDiscount(order);
    }
}

重构之后的代码就没有 if-else 分支判断语句了。实际上,这得益于策略工厂类。在工厂类中,我们用 Map 缓存策略,根据 type 直接从 Map 中获取对应地策略,从而避免 if-else 分支判断逻辑。等后面讲到使用状态模式来避免分支判断逻辑时,你会发现,它们使用的是同样的套路。本质上都是借助 "查表法",根据 "type" 查表(代码中的 strategies 就是表)替代根据 type 分支判断。

但是,如果业务场景需要每次创建不同的策略对象,我们就要用另外一种工厂类的实现方式了。具体代码如下所示:

java 复制代码
public class DiscountStrategyFactory {
    public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType orderType) {
        if (orderType.equals(OrderType.NORMAL)) {
            return new NormalDiscountStrategy();
        } else if (orderType.equals(OrderType.GROUPON)) {
            return new GrouponDiscountStrategy();
        } else if (orderType.equals(OrderType.PROMOTION)) {
            return new PromotionDiscountStrategy();
        }
        return null;
    }
}

这种实现方式相当于把原来的 if-else 分支逻辑,从 OrderService 转移到工厂类中,实际上并没有真正将它移除。

总结

策略模式定义一簇算法类,将每个算法分别封装起来,让它们可以互相替换。策略模式可以使算法的变化独立于使用它们的客户端(这里的客户端指使用算法的代码)。

策略模式用来解耦策略的定义、创建和使用。实际上,一个完整的策略模式就是由这三个部分组成的。

  • 策略类的定义比较简单,包含一个策略接口和一组实现这个接口的策略类。
  • 策略的创建由工厂类完成,封装策略的创建细节。
  • 策略模式包含一组策略可选。客户端代码如何选择使用哪个策略,有两种确定办法:编译时静态确定和运行时动态确定。其中,"运行时动态确定" 才是策略模式最典型的应用场景。

此外,还可以通过策略模式移除 if-else 分支判断。实际上,这得益于工厂类,更本质上将,是借助 "查表法",根据 type 查表替代根据 type 分支判断。

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