Java设计模式—策略模式(Strategy)

模式动机

完成一项任务，往往可以有多种不同的方式，每一种方式称为一个策略，我们可以根据环境或者条件的不同选择不同的策略来完成该项任务。
在软件开发中也常常遇到类似的情况，实现某一个功能有多个途径，此时可以使用一种设计模式来使得系统可以灵活地选择解决途径，也能够方便地增加新的解决途径。
在软件系统中，有许多算法可以实现某一功能，如查找、排序等，一种常用的方法是硬编码(Hard Coding)在一个类中，如需要提供多种查找算法，可以将这些算法写到一个类中，在该类中提供多个方法，每一个方法对应一个具体的查找算法；当然也可以将这些查找算法封装在一个统一的方法中，通过if...else...等条件判断语句来进行选择。这两种实现方法我们都可以称之为硬编码，如果需要增加一种新的查找算法，需要修改封装算法类的源代码；更换查找算法，也需要修改客户端调用代码。在这个算法类中封装了大量查找算法，该类代码将较复杂，维护较为困难。
除了提供专门的查找算法类之外，还可以在客户端程序中直接包含算法代码，这种做法更不可取，将导致客户端程序庞大而且难以维护，如果存在大量可供选择的算法时问题将变得更加严重。
为了解决这些问题，可以定义一些独立的类来封装不同的算法，每一个类封装一个具体的算法，在这里，每一个封装算法的类我们都可以称之为策略(Strategy)，为了保证这些策略的一致性，一般会用一个抽象的策略类来做算法的定义，而具体每种算法则对应于一个具体策略类。

模式定义

策略（Strategy）模式是一种行为设计模式，它使你能在运行时改变对象的行为。它定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以相互替换。策略模式让算法的变化独立于使用算法的客户。

模式结构

策略模式包含以下几个组成部分：

策略接口（Strategy）：定义了一个公共接口，所有的具体策略都要实现这个接口。
具体策略（Concrete Strategy）：实现了策略接口中的算法。
上下文（Context）：使用某个策略类，并且提供了一个接口让外部可以给它设置策略。

时序图

对于策略模式的时序图，它大致如下：

客户端决定使用哪种策略，并创建相应的具体策略对象。
客户端创建上下文对象，并将具体策略对象传递给上下文。
在某些触发条件下，上下文调用策略对象的方法来执行具体的算法。
策略对象执行其算法，并返回结果给上下文。
上下文处理结果，并将最终的结果返回给客户端。

代码分析

下面是一个简单的示例代码，展示如何使用策略模式：

// 策略接口
interface PaymentStrategy {
    double calculateTotal(double amount);
}

// 具体策略A - 不打折
class NoDiscountPayment implements PaymentStrategy {
    @Override
    public double calculateTotal(double amount) {
        return amount;
    }
}

// 具体策略B - 打九折
class TenPercentOffPayment implements PaymentStrategy {
    @Override
    public double calculateTotal(double amount) {
        return amount * 0.9;
    }
}

// 上下文
class ShoppingCart {
    private PaymentStrategy strategy;

    public ShoppingCart(PaymentStrategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public double calculateTotal(double amount) {
        return strategy.calculateTotal(amount);
    }
}

模式分析

策略模式是一个比较容易理解和使用的设计模式，策略模式是对算法的封装，它把算法的责任和算法本身分割开，委派给不同的对象管理。策略模式通常把一个系列的算法封装到一系列的策略类里面，作为一个抽象策略类的子类。用一句话来说，就是"准备一组算法，并将每一个算法封装起来，使得它们可以互换"。
在策略模式中，应当由客户端自己决定在什么情况下使用什么具体策略角色。
策略模式仅仅封装算法，提供新算法插入到已有系统中，以及老算法从系统中"退休"的方便，策略模式并不决定在何时使用何种算法，算法的选择由客户端来决定。这在一定程度上提高了系统的灵活性，但是客户端需要理解所有具体策略类之间的区别，以便选择合适的算法，这也是策略模式的缺点之一，在一定程度上增加了客户端的使用难度。

实例

继续上面的购物车示例，我们可以根据用户的会员等级动态地选择不同的支付策略。例如，普通用户使用NoDiscountPayment策略，而VIP用户则使用TenPercentOffPayment策略。

优点

多个类只改变其中的一个算法。
客户端可以选择一个算法而不"硬编码"它。
支持开闭原则：可以在不修改原有代码的情况下增加新的算法。

缺点

客户端必须理解所有策略的差异，并自行决定使用哪一个策略。
策略模式导致了很多小类的产生。

适用环境

许多相关的类仅仅是行为有异。
需要在运行时刻选择一个算法或行为。

模式应用

策略模式广泛应用于各种需要动态选择算法的场景中，比如排序算法的选择、数据库查询优化等。

模式扩展

可以通过环境类状态的个数来决定是使用策略模式还是状态模式。
策略模式的环境类自己选择一个具体策略类，具体策略类无须关心环境类；而状态模式的环境类由于外在因素需要放进一个具体状态中，以便通过其方法实现状态的切换，因此环境类和状态类之间存在一种双向的关联关系。
使用策略模式时，客户端需要知道所选的具体策略是哪一个，而使用状态模式时，客户端无须关心具体状态，环境类的状态会根据用户的操作自动转换。
如果系统中某个类的对象存在多种状态，不同状态下行为有差异，而且这些状态之间可以发生转换时使用状态模式；如果系统中某个类的某一行为存在多种实现方式，而且这些实现方式可以互换时使用策略模式。

总结

在策略模式中定义了一系列算法，将每一个算法封装起来，并让它们可以相互替换。策略模式让算法独立于使用它的客户而变化，也称为政策模式。策略模式是一种对象行为型模式。
策略模式包含三个角色：环境类在解决某个问题时可以采用多种策略，在环境类中维护一个对抽象策略类的引用实例；抽象策略类为所支持的算法声明了抽象方法，是所有策略类的父类；具体策略类实现了在抽象策略类中定义的算法。
策略模式是对算法的封装，它把算法的责任和算法本身分割开，委派给不同的对象管理。策略模式通常把一个系列的算法封装到一系列的策略类里面，作为一个抽象策略类的子类。
策略模式主要优点在于对"开闭原则"的完美支持，在不修改原有系统的基础上可以更换算法或者增加新的算法，它很好地管理算法族，提高了代码的复用性，是一种替换继承，避免多重条件转移语句的实现方式；其缺点在于客户端必须知道所有的策略类，并理解其区别，同时在一定程度上增加了系统中类的个数，可能会存在很多策略类。
策略模式适用情况包括：在一个系统里面有许多类，它们之间的区别仅在于它们的行为，使用策略模式可以动态地让一个对象在许多行为中选择一种行为；一个系统需要动态地在几种算法中选择一种；避免使用难以维护的多重条件选择语句；希望在具体策略类中封装算法和与相关的数据结构。