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观察者模式
概念
观察者模式（Observer Design Pattern）也被称为发布订阅模式（Publish-Subscribe Design Pattern）。在GoF的《设计模式》一书中，它的定义是这样的：
Define a one-to-many dependency between objects so that when one object changes state, all its dependents are notified and updated automatically.
翻译成中文就是：在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。
观察者模式在日常开发中比较普遍，一般情况下，被依赖的对象叫作被观察者（Observable），依赖的对象叫作观察者（Observer）。不过，在实际的项目开发中，这两种对象的称呼是比较灵活的，有各种不同的叫法，比如：Subject-Observer、Publisher-Subscriber、Producer-Consumer、EventEmitter-EventListener、Dispatcher-Listener。不管怎么称呼，只要应用场景符合刚刚给出的定义，都可以看作观察者模式。
代码实现
直接写
实际上，观察者模式是一个比较抽象的模式，根据不同的应用场景和需求，有完全不同的实现方式，待会我们会详细地讲到。现在，我们先来看其中最经典的一种实现方式。这也是在讲到这种模式的时候，很多书籍或资料给出的最常见的实现方式。具体的代码如下所示：
java
public interface Subject {
void registerObserver(Observer observer);
void removeObserver(Observer observer);
void notifyObservers(Message message);
}
public interface Observer {
void update(Message message);
}
public class ConcreteSubject implements Subject {
private List observers = new ArrayList();
@Override
public void registerObserver(Observer observer) {
observers.add(observer);
}
@Override
public void removeObserver(Observer observer) {
observers.remove(observer);
}
@Override
public void notifyObservers(Message message) {
for (Observer observer : observers) {
observer.update(message);
}
}
}
public class ConcreteObserverOne implements Observer {
@Override
public void update(Message message) {
//TODO: 获取消息通知，执行自己的逻辑...
System.out.println("ConcreteObserverOne is notified.");
}
}
public class ConcreteObserverTwo implements Observer {
@Override
public void update(Message message) {
//TODO: 获取消息通知，执行自己的逻辑...
System.out.println("ConcreteObserverTwo is notified.");
}
}
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
ConcreteSubject subject = new ConcreteSubject();
subject.registerObserver(new ConcreteObserverOne());
subject.registerObserver(new ConcreteObserverTwo());
subject.notifyObservers(new Message());
}
}在上面的代码中，定义了接口Subject和三个操作监听对象的方法，还定义了观察者接口Observer和一个具体业务方法，然后实现他们。最后在main方法中调用。
不过我看的这个课程对实现细节有所省略，刚好我以前遇到过某个具体实现，对比起来上面的例子主要是少了构造方法的细节，所以没完全明白的话可以运行下面这个例子：
java
public interface Subject {
void registerObserver(Observer o);
void removeObserver(Observer o);
void notifyObservers();
}
public interface Observer {
void update(float temperature, float humidity, float pressure);
}
public class WeatherData implements Subject{
private List<Observer> list;
private float temperature;
private float humidity;
private float pressure;
WeatherData(){
list=new ArrayList<>();
}
@Override
public void registerObserver(Observer o) {
list.add(o);
}
@Override
public void removeObserver(Observer o) {
if(list.contains(o)){
list.remove(o);
}
}
@Override
public void notifyObservers() {
list.forEach(e-> e.update(temperature,humidity,pressure));
}
public void setMeasurements(float temperature, float humidity,float pressure){
this.temperature = temperature;
this.humidity = humidity;
this.pressure = pressure;
notifyObservers();
}
}
public class WeatherReport implements Observer {
@Override
public void update(float temperature, float humidity, float pressure) {
System.out.println("temperature "+temperature);
System.out.println("humidity "+humidity);
System.out.println("pressure "+pressure);
}
}
public class test {
public static void main(String[] args) {
WeatherReport weatherReport = new WeatherReport();
WeatherData weatherData = new WeatherData();
weatherData.registerObserver(weatherReport);
weatherData.setMeasurements(36, 58, 100);
}
}上面每当调用 setMeasurements方法填写参数后，就调用notifyObservers方法对Observer列表逐个发送通知，继承了Observer接口的实现类就会执行具体的方法。
重构
上面是直接用观察者模式实现的结果，下面再看一下重构时需要哪些步骤。
假设我们在开发一个P2P投资理财系统，用户注册成功之后，我们会给用户发放投资体验金。代码实现大致是下面这个样子的：
java
public class UserController {
private UserService userService; // 依赖注入
private PromotionService promotionService; // 依赖注入
public Long register(String telephone, String password) {
//省略输入参数的校验代码
//省略userService.register()异常的try-catch代码
long userId = userService.register(telephone, password);// 注册
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);// 发送体验金
return userId;
}
}虽然注册接口做了两件事情，注册和发放体验金，违反单一职责原则，但是，如果没有扩展和修改的需求，现在的代码实现是可以接受的。如果非得用观察者模式，就需要引入更多的类和更加复杂的代码结构，反倒是一种过度设计。
相反，如果需求频繁变动，比如，用户注册成功之后，不再发放体验金，而是改为发放优惠券，并且还要给用户发送一封"欢迎注册成功"的站内信。这种情况下，我们就需要频繁地修改register()函数中的代码，违反开闭原则。而且，如果注册成功之后需要执行的后续操作越来越多，那register()函数的逻辑会变得越来越复杂，也就影响到代码的可读性和可维护性。
这个时候，观察者模式就能派上用场了。利用观察者模式，我对上面的代码进行了重构。重构之后的代码如下所示：
java
public interface RegObserver {
void handleRegSuccess(long userId);
}
public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
private PromotionService promotionService; // 依赖注入
@Override
public void handleRegSuccess(long userId) {
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);// 发送体验金
}
}
public class RegNotificationObserver implements RegObserver {
private NotificationService notificationService;
@Override
public void handleRegSuccess(long userId) {
notificationService.sendInboxMessage(userId, "Welcome...");// 推送用户注册信息给大数据征信系统
}
}
public class UserController {
private UserService userService; // 依赖注入
private List regObservers = new ArrayList<>();
// 一次性设置好，之后也不可能动态的修改
public void setRegObservers(List observers) {
regObservers.addAll(observers);
}
public Long register(String telephone, String password) {
//省略输入参数的校验代码
//省略userService.register()异常的try-catch代码
long userId = userService.register(telephone, password);// 注册
for (RegObserver observer : regObservers) {
observer.handleRegSuccess(userId);// 通知给所有观察者
}
return userId;
}
}当我们需要添加新的观察者的时候，比如，用户注册成功之后，推送用户注册信息给大数据征信系统，基于观察者模式的代码实现，UserController类的register()函数完全不需要修改，只需要再添加一个实现了RegObserver接口的类，并且通过setRegObservers()函数将它注册到UserController类中即可。
不过，你可能会说，当我们把发送体验金替换为发送优惠券的时候，需要修改RegPromotionObserver类中handleRegSuccess()函数的代码，这还是违反开闭原则呀？你说得没错，不过，相对于register()函数来说，handleRegSuccess()函数的逻辑要简单很多，修改更不容易出错，引入bug的风险更低。
其他场景
观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面的解耦，大到架构层面的系统解耦，再或者一些产品的设计思路，都有这种模式的影子，比如，邮件订阅、RSS Feeds，本质上都是观察者模式。
不同的应用场景和需求下，这个模式也有截然不同的实现方式，开篇的时候我们也提到，有同步阻塞的实现方式，也有异步非阻塞的实现方式；有进程内的实现方式，也有跨进程的实现方式。
之前讲到的实现方式，从刚刚的分类方式上来看，它是一种同步阻塞的实现方式。观察者和被观察者代码在同一个线程内执行，被观察者一直阻塞，直到所有的观察者代码都执行完成之后，才执行后续的代码。对照上面讲到的用户注册的例子，register()函数依次调用执行每个观察者的handleRegSuccess()函数，等到都执行完成之后，才会返回结果给客户端。
如果注册接口是一个调用比较频繁的接口，对性能非常敏感，希望接口的响应时间尽可能短，那我们可以将同步阻塞的实现方式改为异步非阻塞的实现方式，以此来减少响应时间。具体来讲，当userService.register()函数执行完成之后，我们启动一个新的线程来执行观察者的handleRegSuccess()函数，这样userController.register()函数就不需要等到所有的handleRegSuccess()函数都执行完成之后才返回结果给客户端。userController.register()函数从执行3个SQL语句才返回，减少到只需要执行1个SQL语句就返回，响应时间粗略来讲减少为原来的1/3。
那如何实现一个异步非阻塞的观察者模式呢？简单一点的做法是，在每个handleRegSuccess()函数中，创建一个新的线程执行代码。不过，我们还有更加优雅的实现方式，那就是基于EventBus来实现。这点在下面扩展中会讲到。
刚刚讲到的两个场景，不管是同步阻塞实现方式还是异步非阻塞实现方式，都是进程内的实现方式。如果用户注册成功之后，我们需要发送用户信息给大数据征信系统，而大数据征信系统是一个独立的系统，跟它之间的交互是跨不同进程的，那如何实现一个跨进程的观察者模式呢？
如果大数据征信系统提供了发送用户注册信息的RPC接口，我们仍然可以沿用之前的实现思路，在handleRegSuccess()函数中调用RPC接口来发送数据。++但是，我们还有更加优雅、更加常用的一种实现方式，那就是基于消息队列（Message Queue，比如ActiveMQ）来实现。++
当然，这种实现方式也有弊端，那就是需要引入一个新的系统（消息队列），增加了维护成本。不过，它的好处也非常明显。在原来的实现方式中，观察者需要注册到被观察者中，被观察者需要依次遍历观察者来发送消息。而基于消息队列的实现方式，被观察者和观察者解耦更加彻底，两部分的耦合更小。被观察者完全不感知观察者，同理，观察者也完全不感知被观察者。被观察者只管发送消息到消息队列，观察者只管从消息队列中读取消息来执行相应的逻辑。
扩展-EventBus
对于异步非阻塞观察者模式，如果只是实现一个简易版本，不考虑任何通用性、复用性，实际上是非常容易的。
我们有两种实现方式。其中一种是：在每个handleRegSuccess()函数中创建一个新的线程执行代码逻辑；另一种是：在UserController的register()函数中使用线程池来执行每个观察者的handleRegSuccess()函数。两种实现方式的具体代码如下所示：
java
// 第一种实现方式，其他类代码不变，就没有再重复罗列
public class RegPromotionObserver implements RegObserver {
private PromotionService promotionService; // 依赖注入
@Override
public void handleRegSuccess(Long userId) {
Thread thread = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
}
});
thread.start();
}
}
// 第二种实现方式，其他类代码不变，就没有再重复罗列
public class UserController {
private UserService userService; // 依赖注入
private List regObservers = new ArrayList<>();
private Executor executor;
public UserController(Executor executor) {
this.executor = executor;
}
public void setRegObservers(List observers) {
regObservers.addAll(observers);
}
public Long register(String telephone, String password) {
//省略输入参数的校验代码
//省略userService.register()异常的try-catch代码
long userId = userService.register(telephone, password);
for (RegObserver observer : regObservers) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
observer.handleRegSuccess(userId);
}
});
}
return userId;
}
}对于第一种实现方式，频繁地创建和销毁线程比较耗时，并且并发线程数无法控制，创建过多的线程会导致堆栈溢出。第二种实现方式，尽管利用了线程池解决了第一种实现方式的问题，但线程池、异步执行逻辑都耦合在了register()函数中，增加了这部分业务代码的维护成本。
如果我们的需求更加极端一点，需要在同步阻塞和异步非阻塞之间灵活切换，那就要不停地修改UserController的代码。除此之外，如果在项目中，不止一个业务模块需要用到异步非阻塞观察者模式，那这样的代码实现也无法做到复用。
我们知道，框架的作用有：隐藏实现细节，降低开发难度，做到代码复用，解耦业务与非业务代码，让程序员聚焦业务开发。针对异步非阻塞观察者模式，我们也可以将它抽象成框架来达到这样的效果，而这个框架就是下面讲的EventBus。
++这块没有太过细看，暂时记录如果以后用到再看。++
EventBus翻译为"事件总线"，它提供了实现观察者模式的骨架代码。我们可以基于此框架，非常容易地在自己的业务场景中实现观察者模式，不需要从零开始开发。其中，Google Guava EventBus就是一个比较著名的EventBus框架，它不仅仅支持异步非阻塞模式，同时也支持同步阻塞模式
现在，我们就通过例子来看一下，Guava EventBus具有哪些功能。还是上节课那个用户注册的例子，我们用Guava EventBus重新实现一下，代码如下所示：
java
public class UserController {
private UserService userService; // 依赖注入
private EventBus eventBus;
private static final int DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE = 20;
public UserController() {
//eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式
eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(DEFAULT_EVENTBUS_THREAD_POOL_SIZE)); // 异步非阻塞模式
}
public void setRegObservers(List observers) {
for(Object observer : observers) {
eventBus.register(observer);
}
}
public Long register(String telephone, String password) {
//省略输入参数的校验代码
//省略userService.register()异常的try-catch代码
long userId = userService.register(telephone, password);
eventBus.post(userId);
return userId;
}
}
public class RegPromotionObserver {
private PromotionService promotionService; // 依赖注入
@Subscribe
public void handleRegSuccess(Long userId) {
promotionService.issueNewUserExperienceCash(userId);
}
}
public class RegNotificationObserver {
private NotificationService notificationService;
@Subscribe
public void handleRegSuccess(Long userId) {
notificationService.sendInboxMessage(userId, "...");
}
}利用EventBus框架实现的观察者模式，跟从零开始编写的观察者模式相比，从大的流程上来说，实现思路大致一样，都需要定义Observer，并且通过register()函数注册Observer，也都需要通过调用某个函数（比如，EventBus中的post()函数）来给Observer发送消息（在EventBus中消息被称作事件event）。
但在实现细节方面，它们又有些区别。基于EventBus，我们不需要定义Observer接口，任意类型的对象都可以注册到EventBus中，通过@Subscribe注解来标明类中哪个函数可以接收被观察者发送的消息。
接下来，我们详细地讲一下，Guava EventBus的几个主要的类和函数。
•EventBus、AsyncEventBus Guava EventBus对外暴露的所有可调用接口，都封装在EventBus类中。其中，EventBus实现了同步阻塞的观察者模式，AsyncEventBus继承自EventBus，提供了异步非阻塞的观察者模式。具体使用方式如下所示：
EventBus eventBus = new EventBus(); // 同步阻塞模式 EventBus eventBus = new AsyncEventBus(Executors.newFixedThreadPool(8))；// 异步阻塞模式
•register()函数 EventBus类提供了register()函数用来注册观察者。具体的函数定义如下所示。它可以接受任何类型（Object）的观察者。而在经典的观察者模式的实现中，register()函数必须接受实现了同一Observer接口的类对象。
public void register(Object object);
•unregister()函数 相对于register()函数，unregister()函数用来从EventBus中删除某个观察者。我就不多解释了，具体的函数定义如下所示：
public void unregister(Object object);
•post()函数 EventBus类提供了post()函数，用来给观察者发送消息。具体的函数定义如下所示：
public void post(Object event);
跟经典的观察者模式的不同之处在于，当我们调用post()函数发送消息的时候，并非把消息发送给所有的观察者，而是发送给可匹配的观察者。所谓可匹配指的是，能接收的消息类型是发送消息（post函数定义中的event）类型的父类。我举个例子来解释一下。
比如，AObserver能接收的消息类型是XMsg，BObserver能接收的消息类型是YMsg，CObserver能接收的消息类型是ZMsg。其中，XMsg是YMsg的父类。当我们如下发送消息的时候，相应能接收到消息的可匹配观察者如下所示：
XMsg xMsg = new XMsg(); YMsg yMsg = new YMsg(); ZMsg zMsg = new ZMsg(); post(xMsg); => AObserver接收到消息 post(yMsg); => AObserver、BObserver接收到消息 post(zMsg); => CObserver接收到消息
你可能会问，每个Observer能接收的消息类型是在哪里定义的呢？我们来看下Guava EventBus最特别的一个地方，那就是@Subscribe注解。
•@Subscribe注解 EventBus通过@Subscribe注解来标明，某个函数能接收哪种类型的消息。具体的使用代码如下所示。在DObserver类中，我们通过@Subscribe注解了两个函数f1()、f2()。
public DObserver { //...省略其他属性和方法... @Subscribe public void f1(PMsg event) { //... } @Subscribe public void f2(QMsg event) { //... } }
当通过register()函数将DObserver 类对象注册到EventBus的时候，EventBus会根据@Subscribe注解找到f1()和f2()，并且将两个函数能接收的消息类型记录下来（PMsg->f1，QMsg->f2）。当我们通过post()函数发送消息（比如QMsg消息）的时候，EventBus会通过之前的记录（QMsg->f2），调用相应的函数（f2）。
整个小框架的代码实现包括5个类：EventBus、AsyncEventBus、Subscribe、ObserverAction、ObserverRegistry。接下来，我们依次来看下这5个类。
1.Subscribe
Subscribe是一个注解，用于标明观察者中的哪个函数可以接收消息。
java
@Retention(RetentionPolicy.RUNTIME)
@Target(ElementType.METHOD)
@Beta
public @interface Subscribe {}2.ObserverAction
ObserverAction类用来表示@Subscribe注解的方法，其中，target表示观察者类，method表示方法。它主要用在ObserverRegistry观察者注册表中。
java
public class ObserverAction {
private Object target;
private Method method;
public ObserverAction(Object target, Method method) {
this.target = Preconditions.checkNotNull(target);
this.method = method;
this.method.setAccessible(true);
}
public void execute(Object event) { // event是method方法的参数
try {
method.invoke(target, event);
} catch (InvocationTargetException | IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}3.ObserverRegistry
ObserverRegistry类就是前面讲到的Observer注册表，是最复杂的一个类，框架中几乎所有的核心逻辑都在这个类中。这个类大量使用了Java的反射语法，不过代码整体来说都不难理解，其中，一个比较有技巧的地方是CopyOnWriteArraySet的使用。
CopyOnWriteArraySet，顾名思义，在写入数据的时候，会创建一个新的set，并且将原始数据clone到新的set中，在新的set中写入数据完成之后，再用新的set替换老的set。这样就能保证在写入数据的时候，不影响数据的读取操作，以此来解决读写并发问题。除此之外，CopyOnWriteSet还通过加锁的方式，避免了并发写冲突。具体的作用你可以去查看一下CopyOnWriteSet类的源码，一目了然。
java
public class ObserverRegistry {
private ConcurrentMap, CopyOnWriteArraySet> registry = new ConcurrentHashMap<>();
public void register(Object observer) {
Map, Collection> observerActions = findAllObserverActions(observer);
for (Map.Entry, Collection> entry : observerActions.entrySet()) {
Class eventType = entry.getKey();
Collection eventActions = entry.getValue();
CopyOnWriteArraySet registeredEventActions = registry.get(eventType);
if (registeredEventActions == null) {
registry.putIfAbsent(eventType, new CopyOnWriteArraySet<>());
registeredEventActions = registry.get(eventType);
}
registeredEventActions.addAll(eventActions);
}
}
public List getMatchedObserverActions(Object event) {
List matchedObservers = new ArrayList<>();
Class postedEventType = event.getClass();
for (Map.Entry, CopyOnWriteArraySet> entry : registry.entrySet()) {
Class eventType = entry.getKey();
Collection eventActions = entry.getValue();
if (postedEventType.isAssignableFrom(eventType)) {
matchedObservers.addAll(eventActions);
}
}
return matchedObservers;
}
private Map, Collection> findAllObserverActions(Object observer) {
Map, Collection> observerActions = new HashMap<>();
Class clazz = observer.getClass();
for (Method method : getAnnotatedMethods(clazz)) {
Class[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
Class eventType = parameterTypes[0];
if (!observerActions.containsKey(eventType)) {
observerActions.put(eventType, new ArrayList<>());
}
observerActions.get(eventType).add(new ObserverAction(observer, method));
}
return observerActions;
}
private List getAnnotatedMethods(Class clazz) {
List annotatedMethods = new ArrayList<>();
for (Method method : clazz.getDeclaredMethods()) {
if (method.isAnnotationPresent(Subscribe.class)) {
Class[] parameterTypes = method.getParameterTypes();
Preconditions.checkArgument(parameterTypes.length == 1,
"Method %s has @Subscribe annotation but has %s parameters."
+ "Subscriber methods must have exactly 1 parameter.",
method, parameterTypes.length);
annotatedMethods.add(method);
}
}
return annotatedMethods;
}
}4.EventBus
EventBus实现的是阻塞同步的观察者模式。看代码你可能会有些疑问，这明明就用到了线程池Executor啊。实际上，MoreExecutors.directExecutor()是Google Guava提供的工具类，看似是多线程，实际上是单线程。之所以要这么实现，主要还是为了跟AsyncEventBus统一代码逻辑，做到代码复用。
java
public class EventBus {
private Executor executor;
private ObserverRegistry registry = new ObserverRegistry();
public EventBus() {
this(MoreExecutors.directExecutor());
}
protected EventBus(Executor executor) {
this.executor = executor;
}
public void register(Object object) {
registry.register(object);
}
public void post(Object event) {
List observerActions = registry.getMatchedObserverActions(event);
for (ObserverAction observerAction : observerActions) {
executor.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
observerAction.execute(event);
}
});
}
}
}5.AsyncEventBus
有了EventBus，AsyncEventBus的实现就非常简单了。为了实现异步非阻塞的观察者模式，它就不能再继续使用MoreExecutors.directExecutor()了，而是需要在构造函数中，由调用者注入线程池。
java
public class AsyncEventBus extends EventBus {
public AsyncEventBus(Executor executor) {
super(executor);
}
}至此，我们用了不到200行代码，就实现了一个还算凑活能用的EventBus，从功能上来讲，它跟Google Guava EventBus几乎一样。不过，如果去查看Google Guava EventBus的源码，你会发现，在实现细节方面，相比我们现在的实现，它其实做了很多优化，比如优化了在注册表中查找消息可匹配函数的算法。如果有时间的话，建议你去读一下它的源码。
扩展-集成Spring
之前总结的Spring IOC中有写过，可以看Spring IOC的理解_谈谈自己对于spring ioc的理解-CSDN博客
的【4.2 事件机制】，直接粘贴过来就是
ApplicationContext提供了一套事件机制，在容器发生变动时我们可以通过ApplicationEvent的子类通知到ApplicationListener接口的实现类（或增加@EventListener注解），做对应的处理。例如ApplicationContext在启动、停止、关闭和刷新时，分别会发出ContextStartEvent、ContextStoppedEvent、ContextClosedEvent和ContextRefreshEvent事件，这些事件可以让我们有机会感知当前容器的状态。
我们也可以自己监听这些事件，只需实现ApplicationListener接口或在某个Bean方法上增加@EventListener注解即可。通过这个来自定义事件，不过该事件必须继承ApplicationEvent，而且产生事件的类需要实现ApplicationEventPublisherAware，还要从上下文中获取到ApplicationEventPublisher------可以通过上下文applicationContext.publishEvent或通过实现了ApplicationEventPublisherAware接口的类里面直接获得。
如果在监听到事件后希望再发出另一个事件，这时可以将方法返回值从void修改为对应事件的类型。
Spring的内置事件以及自定义事件其实就是设计模式的观察者模式，关于自定义事件的实现可以参考一下我之前写过的 设计模式-观察者模式-CSDN博客
另外这里补充一点，上述@EventListener默认是阻塞的，改成异步非阻塞可以同时添加
@EventListener
@Async("asyncExecutor")
或者通过配置ApplicationEventMulticaster的taskExecutor属性来实现（后者不太常见）。
总结
设计模式要干的事情就是解耦，创建型模式是将创建和使用代码解耦，结构型模式是将不同功能代码解耦，行为型模式是将不同的行为代码解耦，具体到观察者模式，它将观察者和被观察者代码解耦。借助设计模式，我们利用更好的代码结构，将一大坨代码拆分成职责更单一的小类，让其满足开闭原则、高内聚低耦合等特性，以此来控制和应对代码的复杂性，提高代码的可扩展性。
观察者模式的应用场景非常广泛，小到代码层面的解耦，大到架构层面的系统解耦，再或者一些产品的设计思路，都有这种模式的影子，比如，邮件订阅、RSS Feeds，本质上都是观察者模式。不同的应用场景和需求下，这个模式也有截然不同的实现方式，有同步阻塞的实现方式，也有异步非阻塞的实现方式；有进程内的实现方式，也有跨进程的实现方式。
模板模式
概念
模板模式，全称是模板方法设计模式，英文是Template Method Design Pattern。在GoF的《设计模式》一书中，它是这么定义的：
Define the skeleton of an algorithm in an operation, deferring some steps to subclasses. Template Method lets subclasses redefine certain steps of an algorithm without changing the algorithm's structure.
翻译成中文就是：模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。
这里的"算法"，我们可以理解为广义上的"业务逻辑"，并不特指数据结构和算法中的"算法"。这里的算法骨架就是"模板"，包含算法骨架的方法就是"模板方法"，这也是模板方法模式名字的由来。
原理很简单，代码实现就更加简单，我写了一个示例代码，如下所示。templateMethod()函数定义为final，是为了避免子类重写它。method1()和method2()定义为abstract，是为了强迫子类去实现。不过，这些都不是必须的，在实际的项目开发中，模板模式的代码实现比较灵活，待会儿讲到应用场景的时候，我们会有具体的体现。
java
public abstract class AbstractClass {
// 模板方法，里面定义了执行流程，开了两个可变函数
public final void templateMethod() {
//...
method1();
//...
method2();
//...
}
protected abstract void method1();// 可变的部分
protected abstract void method2();
}
public class ConcreteClass1 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
public class ConcreteClass2 extends AbstractClass {
@Override
protected void method1() {
//...
}
@Override
protected void method2() {
//...
}
}
AbstractClass demo = ConcreteClass1();
demo.templateMethod();在上面的例子中，AbstractClass是模板类，里面final修饰的方法templateMethod是模板方法，程序员可以通过继承模板类，重写可变方法来自定义一些业务逻辑。
模板模式作用一：复用
开篇的时候，我们讲到模板模式有两大作用：复用和扩展。我们先来看它的第一个作用：复用。
模板模式把一个算法中不变的流程抽象到父类的模板方法templateMethod()中，将可变的部分method1()、method2()留给子类ContreteClass1和ContreteClass2来实现。所有的子类都可以复用父类中模板方法定义的流程代码。我们通过两个小例子来更直观地体会一下。
1.Java InputStream
Java IO类库中，有很多类的设计用到了模板模式，比如InputStream、OutputStream、Reader、Writer。我们拿InputStream来举例说明一下。
我把InputStream部分相关代码贴在了下面。在代码中，read()函数是一个模板方法，定义了读取数据的整个流程，并且暴露了一个可以由子类来定制的抽象方法。不过这个方法也被命名为了read()，只是参数跟模板方法不同。
java
public abstract class InputStream implements Closeable {
//...省略其他代码...
public int read(byte b[], int off, int len) throws IOException {
if (b == null) {
throw new NullPointerException();
} else if (off < 0 || len < 0 || len > b.length - off) {
throw new IndexOutOfBoundsException();
} else if (len == 0) {
return 0;
}
int c = read();
if (c == -1) {
return -1;
}
b[off] = (byte)c;
int i = 1;
try {
for (; i < len ; i++) {
c = read();
if (c == -1) {
break;
}
b[off + i] = (byte)c;
}
} catch (IOException ee) {
}
return i;
}
public abstract int read() throws IOException;
}
public class ByteArrayInputStream extends InputStream {
//...省略其他代码...
@Override
public synchronized int read() {
return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
}
}2.Java AbstractList
在Java AbstractList类中，addAll()函数可以看作模板方法，add()是子类需要重写的方法，尽管没有声明为abstract的，但函数实现直接抛出了UnsupportedOperationException异常。前提是，如果子类不重写是不能使用的。
java
public boolean addAll(int index, Collection c) {
rangeCheckForAdd(index);
boolean modified = false;
for (E e : c) {
add(index++, e);
modified = true;
}
return modified;
}
public void add(int index, E element) {
throw new UnsupportedOperationException();
}模板模式作用二：扩展
模板模式可以用在框架的开发中，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，定制化框架的功能，比如Java Servlet、Junit TestCase：
1.Java Servlet
对于Java Web项目开发来说，常用的开发框架是SpringMVC。利用它，我们只需要关注业务代码的编写，底层的原理几乎不会涉及。但是，如果我们抛开这些高级框架来开发Web项目，必然会用到Servlet。实际上，使用比较底层的Servlet来开发Web项目也不难。我们只需要定义一个继承HttpServlet的类，并且重写其中的doGet()或doPost()方法，来分别处理get和post请求。具体的代码示例如下所示：
java
public class HelloServlet extends HttpServlet {
@Override
protected void doGet(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
this.doPost(req, resp);
}
@Override
protected void doPost(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
resp.getWriter().write("Hello World.");
}
}除此之外，我们还需要在配置文件web.xml中做如下配置。Tomcat、Jetty等Servlet容器在启动的时候，会自动加载这个配置文件中的URL和Servlet之间的映射关系。
HelloServlet
com.xzg.cd.HelloServlet
HelloServlet
/hello
当我们在浏览器中输入网址（比如，http://127.0.0.1:8080/hello ）的时候，Servlet容器会接收到相应的请求，并且根据URL和Servlet之间的映射关系，找到相应的Servlet（HelloServlet），然后执行它的service()方法。service()方法定义在父类HttpServlet中，它会调用doGet()或doPost()方法，然后输出数据（"Hello world"）到网页。
我们现在来看，HttpServlet的service()函数长什么样子。
java
public void service(ServletRequest req, ServletResponse res)
throws ServletException, IOException
{
HttpServletRequest request;
HttpServletResponse response;
if (!(req instanceof HttpServletRequest &&
res instanceof HttpServletResponse)) {
throw new ServletException("non-HTTP request or response");
}
request = (HttpServletRequest) req;
response = (HttpServletResponse) res;
service(request, response);
}
protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp)
throws ServletException, IOException
{
String method = req.getMethod();
if (method.equals(METHOD_GET)) {
long lastModified = getLastModified(req);
if (lastModified == -1) {
// servlet doesn't support if-modified-since, no reason
// to go through further expensive logic
doGet(req, resp);
} else {
long ifModifiedSince = req.getDateHeader(HEADER_IFMODSINCE);
if (ifModifiedSince < lastModified) {
// If the servlet mod time is later, call doGet()
// Round down to the nearest second for a proper compare
// A ifModifiedSince of -1 will always be less
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doGet(req, resp);
} else {
resp.setStatus(HttpServletResponse.SC_NOT_MODIFIED);
}
}
} else if (method.equals(METHOD_HEAD)) {
long lastModified = getLastModified(req);
maybeSetLastModified(resp, lastModified);
doHead(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_POST)) {
doPost(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_PUT)) {
doPut(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_DELETE)) {
doDelete(req, resp);
} else if (method.equals(METHOD_OPTIONS)) {
doOptions(req,resp);
} else if (method.equals(METHOD_TRACE)) {
doTrace(req,resp);
} else {
String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
Object[] errArgs = new Object[1];
errArgs[0] = method;
errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
resp.sendError(HttpServletResponse.SC_NOT_IMPLEMENTED, errMsg);
}
}从上面的代码中我们可以看出，HttpServlet的service()方法就是一个模板方法，它实现了整个HTTP请求的执行流程，doGet()、doPost()是模板中可以由子类来定制的部分。实际上，这就相当于Servlet框架提供了一个扩展点（doGet()、doPost()方法），让框架用户在不用修改Servlet框架源码的情况下，将业务代码通过扩展点镶嵌到框架中执行。
2.Junit TestCase
跟Java Servlet类似，JUnit框架也通过模板模式提供了一些功能扩展点（setUp()、tearDown()等），让框架用户可以在这些扩展点上扩展功能。
在使用JUnit测试框架来编写单元测试的时候，我们编写的测试类都要继承框架提供的TestCase类。在TestCase类中，runBare()函数是模板方法，它定义了执行测试用例的整体流程：先执行setUp()做些准备工作，然后执行runTest()运行真正的测试代码，最后执行tearDown()做扫尾工作。
TestCase类的具体代码如下所示。尽管setUp()、tearDown()并不是抽象函数，还提供了默认的实现，不强制子类去重新实现，但这部分也是可以在子类中定制的，所以也符合模板模式的定义。
java
public abstract class TestCase extends Assert implements Test {
public void runBare() throws Throwable {
Throwable exception = null;
setUp();
try {
runTest();
} catch (Throwable running) {
exception = running;
} finally {
try {
tearDown();
} catch (Throwable tearingDown) {
if (exception == null) exception = tearingDown;
}
}
if (exception != null) throw exception;
}
/**
* Sets up the fixture, for example, open a network connection.
* This method is called before a test is executed.
*/
protected void setUp() throws Exception {
}
/**
* Tears down the fixture, for example, close a network connection.
* This method is called after a test is executed.
*/
protected void tearDown() throws Exception {
}
}扩展-对比回调函数Callback
假设一个框架中的某个类暴露了两个模板方法，并且定义了一堆供模板方法调用的抽象方法，代码示例如下所示。在项目开发中，即便我们只用到这个类的其中一个模板方法，我们还是要在子类中把所有的抽象方法都实现一遍，这相当于无效劳动，有没有其他方式来解决这个问题呢？
java
public abstract class AbstractClass {
public final void templateMethod1() {
//...
method1();
//...
method2();
//...
}
public final void templateMethod2() {
//...
method3();
//...
method4();
//...
}
protected abstract void method1();
protected abstract void method2();
protected abstract void method3();
protected abstract void method4();
}回调的原理
相对于普通的函数调用来说，回调是一种双向调用关系。A类事先注册某个函数F到B类，A类在调用B类的P函数的时候，B类反过来调用A类注册给它的F函数。这里的F函数就是"回调函数"。A调用B，B反过来又调用A，这种调用机制就叫作"回调"。
A类如何将回调函数传递给B类呢？不同的编程语言，有不同的实现方法。C语言可以使用函数指针，Java则需要使用包裹了回调函数的类对象，我们简称为回调对象。这里我用Java语言举例说明一下。代码如下所示：
java
public interface ICallback {
void methodToCallback();
}
public class BClass {
public void process(ICallback callback) {
//...
callback.methodToCallback();
//...
}
}
public class AClass {
public static void main(String[] args) {
BClass b = new BClass();
b.process(new ICallback() { //回调对象
@Override
public void methodToCallback() {
System.out.println("Call back me.");
}
});
}
}上面就是Java语言中回调的典型代码实现。从代码实现中，我们可以看出，回调跟模板模式一样，也具有复用和扩展的功能。除了回调函数之外，BClass类的process()函数中的逻辑都可以复用。如果ICallback、BClass类是框架代码，AClass是使用框架的客户端代码，我们可以通过ICallback重写方法定制process()函数，也就是说，框架因此具有了扩展的能力。
实际上，回调不仅可以应用在代码设计上，在更高层次的架构设计上也比较常用。比如，通过三方支付系统来实现支付功能，用户在发起支付请求之后，一般不会一直阻塞到支付结果返回，而是注册回调接口（类似回调函数，一般是一个回调用的URL）给三方支付系统，等三方支付系统执行完成之后，将结果通过回调接口返回给用户。
++回调可以分为同步回调和异步回调（或者延迟回调）。++ 同步回调指在函数返回之前执行回调函数；异步回调指的是在函数返回之后执行回调函数。上面的代码实际上是同步回调的实现方式，在process()函数返回之前，执行完回调函数methodToCallback()。而上面支付的例子是异步回调的实现方式，发起支付之后不需要等待回调接口被调用就直接返回。++从应用场景上来看，同步回调看起来更像模板模式，异步回调看起来更像观察者模式。++
应用举例一：JdbcTemplate
Spring提供了很多Template类，比如，JdbcTemplate、RedisTemplate、RestTemplate。尽管都叫作xxxTemplate，但它们并非基于模板模式来实现的，而是基于回调来实现的，确切地说应该是同步回调。而同步回调从应用场景上很像模板模式，所以，在命名上，这些类使用Template（模板）这个单词作为后缀。
这些Template类的设计思路都很相近，所以，我们只拿其中的JdbcTemplate来举例分析一下。对于其他Template类，你可以阅读源码自行分析。
在前面的章节中，我们也多次提到，Java提供了JDBC类库来封装不同类型的数据库操作。不过，直接使用JDBC来编写操作数据库的代码，还是有点复杂的。比如，下面这段是使用JDBC来查询用户信息的代码。
java
/**
* 原始代码块
*/
public class JdbcDemo {
public User queryUser(long id) {
Connection conn = null;
Statement stmt = null;
try {
//1.加载驱动
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");
conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/demo", "xzg", "xzg");
//2.创建statement类对象，用来执行SQL语句
stmt = conn.createStatement();
//3.ResultSet类，用来存放获取的结果集
String sql = "select * from user where id=" + id;
ResultSet resultSet = stmt.executeQuery(sql);
String eid = null, ename = null, price = null;
while (resultSet.next()) {
User user = new User();
user.setId(resultSet.getLong("id"));
user.setName(resultSet.getString("name"));
user.setTelephone(resultSet.getString("telephone"));
return user;
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// TODO: log...
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
} finally {
if (conn != null)
try {
conn.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
if (stmt != null)
try {
stmt.close();
} catch (SQLException e) {
// TODO: log...
}
}
return null;
}
}queryUser()函数包含很多流程性质的代码，跟业务无关，比如，加载驱动、创建数据库连接、创建statement、关闭连接、关闭statement、处理异常。针对不同的SQL执行请求，这些流程性质的代码是相同的、可以复用的，我们不需要每次都重新敲一遍。
针对这个问题，Spring提供了JdbcTemplate，对JDBC进一步封装，来简化数据库编程。使用JdbcTemplate查询用户信息，我们只需要编写跟这个业务有关的代码，其中包括，查询用户的SQL语句、查询结果与User对象之间的映射关系。其他流程性质的代码都封装在了JdbcTemplate类中，不需要我们每次都重新编写。我用JdbcTemplate重写了上面的例子，代码简单了很多，如下所示：
java
/**
* 使用jdbcTemplate
*/
public class JdbcTemplateDemo {
private JdbcTemplate jdbcTemplate;
public User queryUser(long id) {
String sql = "select * from user where id="+id;
return jdbcTemplate.query(sql, new UserRowMapper()).get(0);
}
class UserRowMapper implements RowMapper {
public User mapRow(ResultSet rs, int rowNum) throws SQLException {
User user = new User();
user.setId(rs.getLong("id"));
user.setName(rs.getString("name"));
user.setTelephone(rs.getString("telephone"));
return user;
}
}
}那JdbcTemplate底层具体是如何实现的呢？我们来看一下它的源码。因为JdbcTemplate代码比较多，我只摘抄了部分相关代码，贴到了下面。其中，JdbcTemplate通过回调的机制，将不变的执行流程抽离出来，放到模板方法execute()中，将可变的部分设计成回调StatementCallback，由用户来定制。query()函数是对execute()函数的二次封装，让接口用起来更加方便。
java
@Override
public List query(String sql, RowMapper rowMapper) throws DataAccessException {
return query(sql, new RowMapperResultSetExtractor(rowMapper));
}
@Override
public T query(final String sql, final ResultSetExtractor rse) throws DataAccessException {
Assert.notNull(sql, "SQL must not be null");
Assert.notNull(rse, "ResultSetExtractor must not be null");
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("Executing SQL query [" + sql + "]");
}
class QueryStatementCallback implements StatementCallback, SqlProvider {
@Override
public T doInStatement(Statement stmt) throws SQLException {
ResultSet rs = null;
try {
rs = stmt.executeQuery(sql);
ResultSet rsToUse = rs;
if (nativeJdbcExtractor != null) {
rsToUse = nativeJdbcExtractor.getNativeResultSet(rs);
}
return rse.extractData(rsToUse);
}
finally {
JdbcUtils.closeResultSet(rs);
}
}
@Override
public String getSql() {
return sql;
}
}
return execute(new QueryStatementCallback());
}
@Override
public T execute(StatementCallback action) throws DataAccessException {
Assert.notNull(action, "Callback object must not be null");
Connection con = DataSourceUtils.getConnection(getDataSource());
Statement stmt = null;
try {
Connection conToUse = con;
if (this.nativeJdbcExtractor != null &&
this.nativeJdbcExtractor.isNativeConnectionNecessaryForNativeStatements()) {
conToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeConnection(con);
}
stmt = conToUse.createStatement();
applyStatementSettings(stmt);
Statement stmtToUse = stmt;
if (this.nativeJdbcExtractor != null) {
stmtToUse = this.nativeJdbcExtractor.getNativeStatement(stmt);
}
T result = action.doInStatement(stmtToUse);
handleWarnings(stmt);
return result;
}
catch (SQLException ex) {
// Release Connection early, to avoid potential connection pool deadlock
// in the case when the exception translator hasn't been initialized yet.
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
stmt = null;
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
con = null;
throw getExceptionTranslator().translate("StatementCallback", getSql(action), ex);
}
finally {
JdbcUtils.closeStatement(stmt);
DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
}
}应用举例二：setClickListener(）
在客户端开发中，我们经常给控件注册事件监听器，比如下面这段代码，就是在Android应用开发中，给Button控件的点击事件注册监听器。
java
Button button = (Button)findViewById(R.id.button);
button.setOnClickListener(new OnClickListener() {
@Override
public void onClick(View v) {
System.out.println("I am clicked.");
}
});从代码结构上来看，事件监听器很像回调，即传递一个包含回调函数（onClick()）的对象给另一个函数。从应用场景上来看，它又很像观察者模式，即事先注册观察者（OnClickListener），当用户点击按钮的时候，发送点击事件给观察者，并且执行相应的onClick()函数。
我们前面讲到，回调分为同步回调和异步回调。这里的回调算是异步回调，我们往setOnClickListener()函数中注册好回调函数之后，并不需要等待回调函数执行。这也印证了我们前面讲的，异步回调比较像观察者模式。
应用举例三：addShutdownHook()
Hook可以翻译成"钩子"，那它跟Callback有什么区别呢？
网上有人认为Hook就是Callback，两者说的是一回事儿，只是表达不同而已。而有人觉得Hook是Callback的一种应用。Callback更侧重语法机制的描述，Hook更加侧重应用场景的描述。我个人比较认可后面一种说法。不过，这个也不重要，我们只需要见了代码能认识，遇到场景会用就可以了。
Hook比较经典的应用场景是Tomcat和JVM的shutdown hook。接下来，我们拿JVM来举例说明一下。JVM提供了Runtime.addShutdownHook(Thread hook)方法，可以注册一个JVM关闭的Hook。当应用程序关闭的时候，JVM会自动调用Hook代码。代码示例如下所示：
java
public class ShutdownHookDemo {
private static class ShutdownHook extends Thread {
public void run() {
System.out.println("I am called during shutting down.");
}
}
public static void main(String[] args) {
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new ShutdownHook());
}
}我们再来看addShutdownHook()的代码实现，如下所示。这里我只给出了部分相关代码。
java
public class Runtime {
public void addShutdownHook(Thread hook) {
SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
if (sm != null) {
sm.checkPermission(new RuntimePermission("shutdownHooks"));
}
ApplicationShutdownHooks.add(hook);
}
}
class ApplicationShutdownHooks {
/* The set of registered hooks */
private static IdentityHashMap hooks;
static {
hooks = new IdentityHashMap<>();
} catch (IllegalStateException e) {
hooks = null;
}
}
static synchronized void add(Thread hook) {
if(hooks == null)
throw new IllegalStateException("Shutdown in progress");
if (hook.isAlive())
throw new IllegalArgumentException("Hook already running");
if (hooks.containsKey(hook))
throw new IllegalArgumentException("Hook previously registered");
hooks.put(hook, hook);
}
static void runHooks() {
Collection threads;
synchronized(ApplicationShutdownHooks.class) {
threads = hooks.keySet();
hooks = null;
}
for (Thread hook : threads) {
hook.start();
}
for (Thread hook : threads) {
while (true) {
try {
hook.join();
break;
} catch (InterruptedException ignored) {
}
}
}
}
}从代码中我们可以发现，有关Hook的逻辑都被封装到ApplicationShutdownHooks类中了。当应用程序关闭的时候，JVM会调用这个类的runHooks()方法，创建多个线程，并发地执行多个Hook。我们在注册完Hook之后，并不需要等待Hook执行完成，所以，这也算是一种异步回调。
回调和模板模式的区别
从应用场景上来看，同步回调跟模板模式几乎一致。它们都是在一个大的算法骨架中，自由替换其中的某个步骤，起到代码复用和扩展的目的。而异步回调跟模板模式有较大差别，更像是观察者模式。
从代码实现上来看，回调和模板模式完全不同。回调基于组合关系来实现，把一个对象传递给另一个对象，是一种对象之间的关系；模板模式基于继承关系来实现，子类重写父类的抽象方法，是一种类之间的关系。
前面我们也讲到，组合优于继承。实际上，这里也不例外。在代码实现上，回调相对于模板模式会更加灵活，主要体现在下面几点。
- 像Java这种只支持单继承的语言，基于模板模式编写的子类，已经继承了一个父类，不再具有继承的能力。
- 回调可以使用匿名类来创建回调对象，可以不用事先定义类；而模板模式针对不同的实现都要定义不同的子类。
- 如果某个类中定义了多个模板方法，每个方法都有对应的抽象方法，那即便我们只用到其中的一个模板方法，子类也必须实现所有的抽象方法。而回调就更加灵活，我们只需要往用到的模板方法中注入回调对象即可。
总结
模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。这里的"算法"，我们可以理解为广义上的"业务逻辑"，并不特指数据结构和算法中的"算法"。这里的算法骨架就是"模板"，包含算法骨架的方法就是"模板方法"，这也是模板方法模式名字的由来。
++在模板模式经典的实现中，模板方法定义为final，可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为abstract，可以强迫子类去实现。不过，在实际项目开发中，模板模式的实现比较灵活，以上两点都不是必须的。++
模板模式有两大作用：复用和扩展。其中，复用指的是，所有的子类可以复用父类中提供的模板方法的代码。扩展指的是，框架通过模板模式提供功能扩展点，让框架用户可以在不修改框架源码的情况下，基于扩展点定制化框架的功能。
回调跟模板模式具有相同的作用：代码复用和扩展。在一些框架、类库、组件等的设计中经常会用到。
相对于普通的函数调用，回调是一种双向调用关系。A类事先注册某个函数F到B类，A类在调用B类的P函数的时候，B类反过来调用A类注册给它的F函数。这里的F函数就是"回调函数"。A调用B，B反过来又调用A，这种调用机制就叫作"回调"。
回调可以细分为同步回调和异步回调。从应用场景上来看，同步回调看起来更像模板模式，异步回调看起来更像观察者模式。回调跟模板模式的区别，更多的是在代码实现上，而非应用场景上。回调基于组合关系来实现，模板模式基于继承关系来实现，回调比模板模式更加灵活。
策略模式
概念与初步实现
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。策略模式跟两者类似，也能起到解耦的作用，不过，它解耦的是策略的定义、创建、使用这三部分。接下来，我就详细讲讲一个完整的策略模式应该包含的这三个部分。
1.策略的定义
策略类的定义比较简单，包含一个策略接口和一组实现这个接口的策略类。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。示例代码如下所示：
java
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，我们需要对客户端代码屏蔽创建细节。我们可以把根据type创建策略的逻辑抽离出来，放到工厂类中。示例代码如下所示：
java
public class StrategyFactory {
private static final Map 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 should not be empty.");
}
return strategies.get(type);
}
}一般来讲，如果策略类是无状态的，不包含成员变量，只是纯粹的算法实现，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()的时候，都创建一个新的策略对象。针对这种情况，我们可以使用上面这种工厂类的实现方式，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，我们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，那我们就需要按照如下方式来实现策略工厂类。
java
public class StrategyFactory {
public static Strategy getStrategy(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("type should 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
我们知道，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，这也是策略模式最典型的应用场景。
这里的"运行时动态"指的是，我们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、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，我们通过一个例子来解释一下。
java
// 策略接口：EvictionStrategy
// 策略类：LruEvictionStrategy、FifoEvictionStrategy、LfuEvictionStrategy...
// 策略工厂：EvictionStrategyFactory
public class UserCache {
private Map 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 props = new Properties();
props.load(new FileInputStream("./config.properties"));
String type = props.getProperty("eviction_type");
evictionStrategy = EvictionStrategyFactory.getEvictionStrategy(type);
UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
//...
}
}
// 非运行时动态确定，在代码中指定使用哪种策略
public class Application {
public static void main(String[] args) {
//...
EvictionStrategy evictionStrategy = new LruEvictionStrategy();
UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
//...
}
}从上面的代码中，我们也可以看出，"非运行时动态确定"，也就是第二个Application中的使用方式，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"。这点需要注意，我们应该编写动态的策略模式。
解决问题示例
问题描述
假设有这样一个需求，希望写一个小程序，实现对一个文件进行排序的功能。文件中只包含整型数，并且，相邻的数字通过逗号来区隔。如果由你来编写这样一个小程序，你会如何来实现呢？你可以把它当作面试题，先自己思考一下，再来看我下面的讲解。
你可能会说，这不是很简单嘛，只需要将文件中的内容读取出来，并且通过逗号分割成一个一个的数字，放到内存数组中，然后编写某种排序算法（比如快排），或者直接使用编程语言提供的排序函数，对数组进行排序，最后再将数组中的数据写入文件就可以了。
但是，如果文件很大呢？比如有10GB大小，因为内存有限（比如只有8GB大小），我们没办法一次性加载文件中的所有数据到内存中，这个时候，我们就要利用外部排序算法（具体怎么做，可以参看我的另一个专栏《数据结构与算法之美-王争》中的"排序"相关章节）了。
如果文件更大，比如有100GB大小，我们为了利用CPU多核的优势，可以在外部排序的基础之上进行优化，加入多线程并发排序的功能，这就有点类似"单机版"的MapReduce。
如果文件非常大，比如有1TB大小，即便是单机多线程排序，这也算很慢了。这个时候，我们可以使用真正的MapReduce框架，利用多机的处理能力，提高排序的效率。
代码实现与分析
解决思路讲完了，不难理解。接下来，我们看一下，如何将解决思路翻译成代码实现。
我先用最简单直接的方式将它实现出来。具体代码我贴在下面了，你可以先看一下。因为我们是在讲设计模式，不是讲算法，所以，在下面的代码实现中，我只给出了跟设计模式相关的骨架代码，并没有给出每种排序算法的具体代码实现。感兴趣的话，你可以自行实现一下。
java
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
quickSort(filePath);
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
externalSort(filePath);
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
concurrentExternalSort(filePath);
} else { // [100GB, ~)
mapreduceSort(filePath);
}
}
private void quickSort(String filePath) {
// 快速排序
}
private void externalSort(String filePath) {
// 外部排序
}
private void concurrentExternalSort(String filePath) {
// 多线程外部排序
}
private void mapreduceSort(String filePath) {
// 利用MapReduce多机排序
}
}
public class SortingTool {
public static void main(String[] args) {
Sorter sorter = new Sorter();
sorter.sortFile(args[0]);
}
}为了避免sortFile()函数过长，我们把每种排序算法从sortFile()函数中抽离出来，拆分成4个独立的排序函数。
如果只是开发一个简单的工具，那上面的代码实现就足够了。毕竟，代码不多，后续修改、扩展的需求也不多，怎么写都不会导致代码不可维护。但是，如果我们是在开发一个大型项目，排序文件只是其中的一个功能模块，那我们就要在代码设计、代码质量上下点儿功夫了。只有每个小的功能模块都写好，整个项目的代码才能不差。
在刚刚的代码中，我们并没有给出每种排序算法的代码实现。实际上，如果自己实现一下的话，你会发现，每种排序算法的实现逻辑都比较复杂，代码行数都比较多。所有排序算法的代码实现都堆在Sorter一个类中，这就会导致这个类的代码很多。而在"编码规范"那一部分中，我们也讲到，一个类的代码太多也会影响到可读性、可维护性。除此之外，所有的排序算法都设计成Sorter的私有函数，也会影响代码的可复用性。
代码重构
只要掌握了我们之前讲过的设计原则和思想，针对上面的问题，即便我们想不到该用什么设计模式来重构，也应该能知道该如何解决，那就是将Sorter类中的某些代码拆分出来，独立成职责更加单一的小类。实际上，拆分是应对类或者函数代码过多、应对代码复杂性的一个常用手段。按照这个解决思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
java
public interface ISortAlg {
void sort(String filePath);
}
public class QuickSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
//...
}
}
public class ExternalSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
//...
}
}
public class ConcurrentExternalSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
//...
}
}
public class MapReduceSort implements ISortAlg {
@Override
public void sort(String filePath) {
//...
}
}
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg;
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
sortAlg = new QuickSort();
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
sortAlg = new ExternalSort();
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
sortAlg = new ConcurrentExternalSort();
} else { // [100GB, ~)
sortAlg = new MapReduceSort();
}
sortAlg.sort(filePath);
}
}经过拆分之后，每个类的代码都不会太多，每个类的逻辑都不会太复杂，代码的可读性、可维护性提高了。除此之外，我们将排序算法设计成独立的类，跟具体的业务逻辑（代码中的if-else那部分逻辑）解耦，也让排序算法能够复用。这一步实际上就是策略模式的第一步，也就是将策略的定义分离出来。
实际上，上面的代码还可以继续优化。每种排序类都是无状态的，我们没必要在每次使用的时候，都重新创建一个新的对象。所以，我们可以使用工厂模式对对象的创建进行封装。按照这个思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：
java
public class SortAlgFactory {
private static final Map algs = new HashMap<>();
static {
algs.put("QuickSort", new QuickSort());
algs.put("ExternalSort", new ExternalSort());
algs.put("ConcurrentExternalSort", new ConcurrentExternalSort());
algs.put("MapReduceSort", new MapReduceSort());
}
public static ISortAlg getSortAlg(String type) {
if (type == null || type.isEmpty()) {
throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
}
return algs.get(type);
}
}
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg;
if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("QuickSort");
} else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ExternalSort");
} else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ConcurrentExternalSort");
} else { // [100GB, ~)
sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("MapReduceSort");
}
sortAlg.sort(filePath);
}
}经过上面两次重构之后，现在的代码实际上已经符合策略模式的代码结构了。我们通过策略模式将策略的定义、创建、使用解耦，让每一部分都不至于太复杂。不过，Sorter类中的sortFile()函数还是有一堆if-else逻辑。这里的if-else逻辑分支不多、也不复杂，这样写完全没问题。
但如果你特别想将if-else分支判断移除掉，那也是有办法的。我直接给出代码，你一看就能明白。实际上，这也是基于查表法来解决的，其中的"algs"就是"表"。
java
public class Sorter {
private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;
private static final List algs = new ArrayList<>();
static {
algs.add(new AlgRange(0, 6*GB, SortAlgFactory.getSortAlg("QuickSort")));
algs.add(new AlgRange(6*GB, 10*GB, SortAlgFactory.getSortAlg("ExternalSort")));
algs.add(new AlgRange(10*GB, 100*GB, SortAlgFactory.getSortAlg("ConcurrentExternalSort")));
algs.add(new AlgRange(100*GB, Long.MAX_VALUE, SortAlgFactory.getSortAlg("MapReduceSort")));
}
public void sortFile(String filePath) {
// 省略校验逻辑
File file = new File(filePath);
long fileSize = file.length();
ISortAlg sortAlg = null;
for (AlgRange algRange : algs) {
if (algRange.inRange(fileSize)) {// 在这里做了判断在哪个范围，这种逻辑太过定制化，一般应该不用考虑
sortAlg = algRange.getAlg();
break;
}
}
sortAlg.sort(filePath);
}
private static class AlgRange {
private long start;
private long end;
private ISortAlg alg;
public AlgRange(long start, long end, ISortAlg alg) {
this.start = start;
this.end = end;
this.alg = alg;
}
public ISortAlg getAlg() {
return alg;
}
public boolean inRange(long size) {
return size >= start && size < end;
}
}
}现在的代码实现就更加优美了。我们把可变的部分隔离到了策略工厂类和Sorter类中的静态代码段中。当要添加一个新的排序算法时，我们只需要修改策略工厂类和Sort类中的静态代码段，其他代码都不需要修改，这样就将代码改动最小化、集中化了。
++你可能会说，即便这样，当我们添加新的排序算法的时候，还是需要修改代码，并不完全符合开闭原则。有什么办法让我们完全满足开闭原则呢？++
对于Java语言来说，我们可以通过反射来避免对策略工厂类的修改。具体是这么做的：我们通过一个配置文件或者自定义的annotation来标注都有哪些策略类；策略工厂类读取配置文件或者搜索被annotation标注的策略类，然后通过反射动态地加载这些策略类、创建策略对象；当我们新添加一个策略的时候，只需要将这个新添加的策略类添加到配置文件或者用annotation标注即可。
对于Sorter来说，我们可以通过同样的方法来避免修改。我们通过将文件大小区间和算法之间的对应关系放到配置文件中。当添加新的排序算法时，我们只需要改动配置文件即可，不需要改动代码。
总结
一提到if-else分支判断，有人就觉得它是烂代码。如果if-else分支判断不复杂、代码不多，这并没有任何问题，毕竟if-else分支判断几乎是所有编程语言都会提供的语法，存在即有理由。遵循KISS原则，怎么简单怎么来，就是最好的设计。非得用策略模式，搞出n多类，反倒是一种过度设计。
一提到策略模式，有人就觉得，它的作用是避免if-else分支判断逻辑。实际上，这种认识是很片面的。策略模式主要的作用还是解耦策略的定义、创建和使用，控制代码的复杂度，让每个部分都不至于过于复杂、代码量过多。除此之外，对于复杂代码来说，策略模式还能让其满足开闭原则，添加新策略的时候，最小化、集中化代码改动，减少引入bug的风险。
实际上，设计原则和思想比设计模式更加普适和重要。掌握了代码的设计原则和思想，我们能更清楚的了解，为什么要用某种设计模式，就能更恰到好处地应用设计模式。
上面代码重构的部分如果意犹未尽，可以再看下我以前写过的一篇例子：设计模式-策略模式_spring 策略模式与工厂模式-CSDN博客
其中【2. Spring+策略模式+工厂模式】就和上面的重构结果几乎一样；
另外上面加粗的一段，用反射来避免对策略工厂类的修改，就对应了【3. Spring+策略模式+工厂模式+自定义注解】。