设计模式之美学习(五十七)

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还原访问者模式诞生的思维过程

参考:访问者模式(上):手把手带你还原访问者模式诞生的思维过程

“发明”访问者模式

假设我们从网站上爬取了很多资源文件,它们的格式有三种:PDFPPTWord。现在要开发一个工具来处理这批资源文件,这个工具的其中一个功能是,把这些资源文件中的文本内容抽取出来放到 txt 文件中。如果让你来实现,你会怎么来做呢?

实现这个功能并不难,不同的人有不同的写法,将其中一种代码实现方式贴在这里。其中,ResourceFile 是一个抽象类,包含一个抽象函数 extract2txt()PdfFilePPTFileWordFile 都继承 ResourceFile 类,并且重写了 extract2txt() 函数。在 ToolApplication 中,可以利用多态特性,根据对象的实际类型,来决定执行哪个方法。

public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;

  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }

  public abstract void extract2txt();
}

public class PPTFile extends ResourceFile {
  public PPTFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...省略一大坨从PPT中抽取文本的代码...
    //...将抽取出来的文本保存在跟filePath同名的.txt文件中...
    System.out.println("Extract PPT.");
  }
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...
    System.out.println("Extract PDF.");
  }
}

public class WordFile extends ResourceFile {
  public WordFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...
    System.out.println("Extract WORD.");
  }
}

// 运行结果是:
// Extract PDF.
// Extract WORD.
// Extract PPT.
public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.extract2txt();
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
    //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
    resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
    resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
    resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
    return resourceFiles;
  }
}

如果工具的功能不停地扩展,不仅要能抽取文本内容,还要支持压缩、提取文件元信息(文件名、大小、更新时间等等)构建索引等一系列的功能,如果继续按照上面的实现思路,就会存在这样几个问题:

  • 违背开闭原则,添加一个新的功能,所有类的代码都要修改;

  • 虽然功能增多,每个类的代码都不断膨胀,可读性和可维护性都变差了;

  • 把所有比较上层的业务逻辑都耦合到 PdfFilePPTFileWordFile 类中,导致这些类的职责不够单一,变成了大杂烩。

针对上面的问题,常用的解决方法就是拆分解耦,把业务操作跟具体的数据结构解耦,设计成独立的类。这里按照访问者模式的演进思路来对上面的代码进行重构。重构之后的代码如下所示。

public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;
  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }
  //...
}
//...PPTFile、WordFile代码省略...
public class Extractor {
  public void extract2txt(PPTFile pptFile) {
    //...
    System.out.println("Extract PPT.");
  }

  public void extract2txt(PdfFile pdfFile) {
    //...
    System.out.println("Extract PDF.");
  }

  public void extract2txt(WordFile wordFile) {
    //...
    System.out.println("Extract WORD.");
  }
}

public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    Extractor extractor = new Extractor();
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      extractor.extract2txt(resourceFile);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
    //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
    resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
    resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
    resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
    return resourceFiles;
  }
}

其中最关键的一点设计是把抽取文本内容的操作,设计成了三个重载函数。函数重载是 JavaC++ 这类面向对象编程语言中常见的语法机制。所谓重载函数是指,在同一类中函数名相同、参数不同的一组函数。

不过,如果你足够细心,就会发现,上面的代码是编译通过不了的,第 37 行会报错。这是为什么呢?

多态是一种动态绑定,可以在运行时获取对象的实际类型,来运行实际类型对应的方法。而函数重载是一种静态绑定,在编译时并不能获取对象的实际类型,而是根据声明类型执行声明类型对应的方法。

在上面代码的第 35~38 行中,resourceFiles 包含的对象的声明类型都是 ResourceFile,而我们并没有在 Extractor 类中定义参数类型是 ResourceFileextract2txt() 重载函数,所以在编译阶段就通过不了,更别说在运行时根据对象的实际类型执行不同的重载函数了。那如何解决这个问题呢?

先来看代码,然后再来慢慢解释。

public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;
  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }
  abstract public void accept(Extractor extractor);
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void accept(Extractor extractor) {
    extractor.extract2txt(this);
  }

  //...
}

//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似,这里就省略了...
//...Extractor代码不变...

public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    Extractor extractor = new Extractor();
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
    //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
    resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
    resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
    resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
    return resourceFiles;
  }
}

在执行第 30 行的时候,根据多态特性,程序会调用实际类型的 accept 函数,比如 PdfFileaccept 函数,也就是第 16 行代码。而 16 行代码中的 this 类型是 PdfFile 的,在编译的时候就确定了,所以会调用 extractorextract2txt(PdfFile pdfFile) 这个重载函数。这个实现思路是不是很有技巧?这是理解访问者模式的关键所在。

如果要继续添加新的功能,比如前面提到的压缩功能,根据不同的文件类型,使用不同的压缩算法来压缩资源文件,那我们该如何实现呢?需要实现一个类似 Extractor 类的新类 Compressor 类,在其中定义三个重载函数,实现对不同类型资源文件的压缩。除此之外,还要在每个资源文件类中定义新的 accept 重载函数。具体的代码如下所示:

public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;
  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }
  abstract public void accept(Extractor extractor);
  abstract public void accept(Compressor compressor);
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void accept(Extractor extractor) {
    extractor.extract2txt(this);
  }

  @Override
  public void accept(Compressor compressor) {
    compressor.compress(this);
  }

  //...
}
}
//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似,这里就省略了...
//...Extractor代码不变

public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    Extractor extractor = new Extractor();
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }

    Compressor compressor = new Compressor();
    for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(compressor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
    //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
    resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
    resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
    resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
    return resourceFiles;
  }
}

上面代码还存在一些问题,添加一个新的业务,还是需要修改每个资源文件类,违反了开闭原则。针对这个问题,抽象出来一个 Visitor 接口,包含是三个命名非常通用的 visit() 重载函数,分别处理三种不同类型的资源文件。具体做什么业务处理,由实现这个 Visitor 接口的具体的类来决定,比如 Extractor 负责抽取文本内容,Compressor 负责压缩。当新添加一个业务功能的时候,资源文件类不需要做任何修改,只需要修改 ToolApplication 的代码就可以了。

按照这个思路对代码进行重构,重构之后的代码如下所示:

public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;
  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }
  abstract public void accept(Visitor vistor);
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void accept(Visitor visitor) {
    visitor.visit(this);
  }

  //...
}
//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似,这里就省略了...

public interface Visitor {
  void visit(PdfFile pdfFile);
  void visit(PPTFile pdfFile);
  void visit(WordFile pdfFile);
}

public class Extractor implements Visitor {
  @Override
  public void visit(PPTFile pptFile) {
    //...
    System.out.println("Extract PPT.");
  }

  @Override
  public void visit(PdfFile pdfFile) {
    //...
    System.out.println("Extract PDF.");
  }

  @Override
  public void visit(WordFile wordFile) {
    //...
    System.out.println("Extract WORD.");
  }
}

public class Compressor implements Visitor {
  @Override
  public void visit(PPTFile pptFile) {
    //...
    System.out.println("Compress PPT.");
  }

  @Override
  public void visit(PdfFile pdfFile) {
    //...
    System.out.println("Compress PDF.");
  }

  @Override
  public void visit(WordFile wordFile) {
    //...
    System.out.println("Compress WORD.");
  }

}

public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    Extractor extractor = new Extractor();
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }

    Compressor compressor = new Compressor();
    for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(compressor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
    //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
    resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
    resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
    resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
    return resourceFiles;
  }
}

重新来看访问者模式

访问者者模式的英文翻译是 Visitor Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中,它是这么定义的:

Allows for one or more operation to be applied to a set of objects at runtime, decoupling the operations from the object structure.

翻译成中文就是:允许一个或者多个操作应用到一组对象上,解耦操作和对象本身。

对于访问者模式的代码实现,实际上,在上面例子中,经过层层重构之后的最终代码,就是标准的访问者模式的实现代码。

最后再来看下访问者模式的应用场景。

一般来说,访问者模式针对的是一组类型不同的对象(PdfFilePPTFileWordFile)。不过,尽管这组对象的类型是不同的,但是,它们继承相同的父类(ResourceFile)或者实现相同的接口。在不同的应用场景下,需要对这组对象进行一系列不相关的业务操作(抽取文本、压缩等),但为了避免不断添加功能导致类(PdfFilePPTFileWordFile)不断膨胀,职责越来越不单一,以及避免频繁地添加功能导致的频繁代码修改,使用访问者模式,将对象与操作解耦,将这些业务操作抽离出来,定义在独立细分的访问者类(ExtractorCompressor)中。

重点

访问者模式允许一个或者多个操作应用到一组对象上,设计意图是解耦操作和对象本身,保持类职责单一、满足开闭原则以及应对代码的复杂性。

对于访问者模式,学习的主要难点在代码实现。而代码实现比较复杂的主要原因是,函数重载在大部分面向对象编程语言中是静态绑定的。也就是说,调用类的哪个重载函数,是在编译期间,由参数的声明类型决定的,而非运行时,根据参数的实际类型决定的。

正是因为代码实现难理解,所以,在项目中应用这种模式,会导致代码的可读性比较差。如果你的同事不了解这种设计模式,可能就会读不懂、维护不了你写的代码。所以,除非不得已,不要使用这种模式。