访问者模式:分离数据结构与操作的设计模式

访问者模式:分离数据结构与操作的设计模式

一、模式核心:将操作从数据结构中分离,支持动态添加新操作

在软件开发中,当数据结构(如树、集合)中的元素类型固定,但需要频繁添加新的操作(如遍历、统计、打印)时,直接修改元素类会违反开闭原则。

访问者模式(Visitor Pattern) 将数据结构与作用于结构上的操作分离,使得操作可以独立于数据结构进行扩展。通过引入访问者(Visitor)角色,客户端可以在不修改数据结构的前提下,新增对数据的操作。核心解决:

  • 操作扩展问题:新增操作时无需修改数据结构类,符合开闭原则。
  • 职责分离:数据结构仅负责存储数据,操作逻辑集中在访问者类中。
  • 复杂操作封装:将跨元素的复杂操作(如树的深度优先遍历 + 统计)封装在访问者中,避免污染数据结构。

核心思想与 UML 类图(PlantUML 语法)

访问者模式包含以下角色:

  1. 抽象访问者(Visitor):定义对每种元素的访问接口。
  2. 具体访问者(Concrete Visitor):实现抽象访问者接口,定义对具体元素的操作。
  3. 抽象元素(Element) :定义接受访问者的接口(accept(Visitor))。
  4. 具体元素(Concrete Element):实现接受访问者的方法,调用访问者的对应操作。
  5. 对象结构(Object Structure):管理元素集合,允许访问者遍历所有元素。

二、核心实现:员工数据统计与可视化

1. 定义抽象元素(员工)

java 复制代码
public interface Employee {  
    void accept(Visitor visitor); // 接受访问者  
    String getName();  
    double getSalary();  
}  

2. 实现具体元素(全职员工、兼职员工)

全职员工(有奖金)
java 复制代码
public class FullTimeEmployee implements Employee {  
    private String name;  
    private double baseSalary;  
    private double bonus;  

    public FullTimeEmployee(String name, double baseSalary, double bonus) {  
        this.name = name;  
        this.baseSalary = baseSalary;  
        this.bonus = bonus;  
    }  

    @Override  
    public void accept(Visitor visitor) {  
        visitor.visitFullTimeEmployee(this); // 调用访问者的对应方法  
    }  

    // Getter 方法  
    public String getName() { return name; }  
    public double getSalary() { return baseSalary + bonus; }  
    public double getBonus() { return bonus; }  
}  
兼职员工(按小时计费)
java 复制代码
public class PartTimeEmployee implements Employee {  
    private String name;  
    private double hourlyRate;  
    private int hoursWorked;  

    public PartTimeEmployee(String name, double hourlyRate, int hoursWorked) {  
        this.name = name;  
        this.hourlyRate = hourlyRate;  
        this.hoursWorked = hoursWorked;  
    }  

    @Override  
    public void accept(Visitor visitor) {  
        visitor.visitPartTimeEmployee(this); // 调用访问者的对应方法  
    }  

    // Getter 方法  
    public String getName() { return name; }  
    public double getSalary() { return hourlyRate * hoursWorked; }  
    public int getHoursWorked() { return hoursWorked; }  
}  

3. 定义抽象访问者(统计与打印)

java 复制代码
public interface Visitor {  
    // 访问全职员工  
    void visitFullTimeEmployee(FullTimeEmployee employee);  
    // 访问兼职员工  
    void visitPartTimeEmployee(PartTimeEmployee employee);  
}  

4. 实现具体访问者(薪资统计、员工信息打印)

薪资统计访问者
java 复制代码
public class SalaryVisitor implements Visitor {  
    private double totalSalary = 0;  

    @Override  
    public void visitFullTimeEmployee(FullTimeEmployee employee) {  
        totalSalary += employee.getSalary();  
        System.out.println("全职员工 " + employee.getName() + " 薪资:" + employee.getSalary());  
    }  

    @Override  
    public void visitPartTimeEmployee(PartTimeEmployee employee) {  
        totalSalary += employee.getSalary();  
        System.out.println("兼职员工 " + employee.getName() + " 薪资:" + employee.getSalary());  
    }  

    public double getTotalSalary() {  
        return totalSalary;  
    }  
}  
员工信息打印访问者
java 复制代码
public class InfoPrintVisitor implements Visitor {  
    @Override  
    public void visitFullTimeEmployee(FullTimeEmployee employee) {  
        System.out.println("全职员工信息:");  
        System.out.println("姓名:" + employee.getName());  
        System.out.println("基本工资:" + employee.getSalary() - employee.getBonus());  
        System.out.println("奖金:" + employee.getBonus());  
    }  

    @Override  
    public void visitPartTimeEmployee(PartTimeEmployee employee) {  
        System.out.println("兼职员工信息:");  
        System.out.println("姓名:" + employee.getName());  
        System.out.println("工作时长:" + employee.getHoursWorked() + " 小时");  
        System.out.println("时薪:" + employee.getHourlyRate());  
    }  
}  

5. 对象结构(员工列表)

java 复制代码
import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  

public class EmployeeManager {  
    private List<Employee> employees = new ArrayList<>();  

    public void addEmployee(Employee employee) {  
        employees.add(employee);  
    }  

    // 接受访问者,遍历所有员工  
    public void accept(Visitor visitor) {  
        for (Employee employee : employees) {  
            employee.accept(visitor);  
        }  
    }  
}  

6. 客户端使用访问者模式

java 复制代码
public class ClientDemo {  
    public static void main(String[] args) {  
        EmployeeManager manager = new EmployeeManager();  
        manager.addEmployee(new FullTimeEmployee("Alice", 8000, 2000));  
        manager.addEmployee(new PartTimeEmployee("Bob", 50, 160));  

        // 统计薪资  
        SalaryVisitor salaryVisitor = new SalaryVisitor();  
        manager.accept(salaryVisitor);  
        System.out.println("\n总薪资:" + salaryVisitor.getTotalSalary());  

        // 打印员工信息  
        InfoPrintVisitor printVisitor = new InfoPrintVisitor();  
        manager.accept(printVisitor);  
    }  
}  

输出结果

plaintext 复制代码
全职员工 Alice 薪资:10000.0  
兼职员工 Bob 薪资:8000.0  

总薪资:18000.0  

全职员工信息:  
姓名:Alice  
基本工资:8000.0  
奖金:2000.0  
兼职员工信息:  
姓名:Bob  
工作时长:160 小时  
时薪:50.0  

三、进阶:双分派与类型安全

访问者模式通过双分派(Double Dispatch) 实现类型安全的操作:

  1. 第一分派 :元素调用 accept(visitor) 时,根据元素类型确定调用哪个 accept 实现。
  2. 第二分派 :在 accept 方法中,调用 visitor.visitXXX(this),根据访问者类型和元素类型确定具体操作。
java 复制代码
// 元素的 accept 方法(第一分派)  
public class FullTimeEmployee implements Employee {  
    @Override  
    public void accept(Visitor visitor) {  
        visitor.visitFullTimeEmployee(this); // 第二分派:传入当前元素实例  
    }  
}  

四、框架与源码中的访问者实践

1. Java 编译器(如 Eclipse JDT)

Java 编译器使用访问者模式遍历抽象语法树(AST),实现词法分析、语法分析和语义分析。例如,ASTVisitor 类定义了对各种节点(如 MethodDeclarationVariableDeclaration)的访问方法。

2. XML/JSON 解析器

解析器将 XML 节点(如 <user><order>)作为元素,访问者实现对节点的验证、转换或统计操作(如验证订单节点的金额是否合法)。

3. Apache Ant 构建工具

Ant 通过访问者模式遍历构建文件(build.xml)中的任务节点(如 <copy><delete>),执行对应的构建操作。

五、避坑指南:正确使用访问者模式的 3 个要点

1. 数据结构稳定性优先

访问者模式适用于数据结构稳定、操作频繁变化的场景。若数据结构经常新增元素类型,需修改所有访问者,违反开闭原则。

2. 避免过度使用双分派

双分派会增加代码复杂度,需确保访问者与元素的类型组合不会导致类爆炸(如元素类型 n,访问者类型 m,需实现 n×m 个方法)。

3. 处理跨元素操作的一致性

若访问者需要维护跨元素的状态(如统计总和),需在访问者中设计状态管理逻辑,避免状态泄漏到数据结构中。

六、总结:何时该用访问者模式?

适用场景 核心特征 典型案例
数据结构固定,操作多变 元素类型不变,但需频繁新增操作 编译器优化、文档格式转换(如 Markdown 转 HTML)
跨元素复杂操作 操作需要遍历多种元素并执行不同逻辑 电商订单统计(同时处理商品、物流、支付元素)
操作与数据解耦 操作逻辑与数据存储分离,独立维护 财务系统(数据存储在数据库,操作包含报表生成、审计)

访问者模式通过分离数据与操作,为系统提供了强大的扩展能力。下一篇我们将探讨最后一个设计模式 ------ 解释器模式,解析如何实现自定义语言的解释器,敬请期待!

扩展思考:访问者模式 vs 策略模式

类型 核心差异 适用场景
访问者模式 操作针对不同元素类型(多态分派) 数据结构固定,操作动态扩展
策略模式 操作是同接口的不同实现(算法切换) 同一元素的不同处理策略
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