设计模式之美学习(五十八)

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为什么支持双分派的语言不需要访问者模式?

参考:访问者模式(下):为什么支持双分派的语言不需要访问者模式?

为什么支持双分派的语言不需要访问者模式?

提到访问者模式,大部分书籍或者资料都会讲到 Double Dispatch,中文翻译为双分派。虽然学习访问者模式,并不用非得理解这个概念,前面的讲解就没有提到它,但是,为了让你在查看其它书籍或者资料的时候,不会卡在这个概念上,我觉得有必要在这里讲一下。

既然有 Double Dispatch,对应的就有 Single Dispatch。所谓 Single Dispatch,指的是执行哪个对象的方法,根据对象的运行时类型来决定;执行对象的哪个方法,根据方法参数的编译时类型来决定。所谓 Double Dispatch,指的是执行哪个对象的方法,根据对象的运行时类型来决定;执行对象的哪个方法,根据方法参数的运行时类型来决定。

如何理解“Dispatch”这个单词呢? 在面向对象编程语言中,可以把方法调用理解为一种消息传递,也就是“Dispatch”。一个对象调用另一个对象的方法,就相当于给它发送一条消息。这条消息起码要包含对象名、方法名、方法参数。

如何理解“Single”“Double”这两个单词呢?“Single”“Double”指的是执行哪个对象的哪个方法,跟几个因素的运行时类型有关。进一步解释一下。Single Dispatch 之所以称为“Single”,是因为执行哪个对象的哪个方法,只跟“对象”的运行时类型有关。Double Dispatch 之所以称为“Double”,是因为执行哪个对象的哪个方法,跟“对象”和“方法参数”两者的运行时类型有关。

具体到编程语言的语法机制,Single DispatchDouble Dispatch 跟多态和函数重载直接相关。当前主流的面向对象编程语言(比如,JavaC++C#)都只支持 Single Dispatch,不支持 Double Dispatch

接下来拿 Java 语言来举例说明一下。

Java 支持多态特性,代码可以在运行时获得对象的实际类型(也就是前面提到的运行时类型),然后根据实际类型决定调用哪个方法。尽管 Java 支持函数重载,但 Java 设计的函数重载的语法规则是,并不是在运行时,根据传递进函数的参数的实际类型,来决定调用哪个重载函数,而是在编译时,根据传递进函数的参数的声明类型(也就是前面提到的编译时类型),来决定调用哪个重载函数。也就是说,具体执行哪个对象的哪个方法,只跟对象的运行时类型有关,跟参数的运行时类型无关。所以,Java 语言只支持 Single Dispatch

这么说比较抽象,举个例子来具体说明一下,代码如下所示:

public class ParentClass {
  public void f() {
    System.out.println("I am ParentClass's f().");
  }
}

public class ChildClass extends ParentClass {
  public void f() {
    System.out.println("I am ChildClass's f().");
  }
}

public class SingleDispatchClass {
  public void polymorphismFunction(ParentClass p) {
    p.f();
  }

  public void overloadFunction(ParentClass p) {
    System.out.println("I am overloadFunction(ParentClass p).");
  }

  public void overloadFunction(ChildClass c) {
    System.out.println("I am overloadFunction(ChildClass c).");
  }
}

public class DemoMain {
  public static void main(String[] args) {
    SingleDispatchClass demo = new SingleDispatchClass();
    ParentClass p = new ChildClass();
    demo.polymorphismFunction(p);//执行哪个对象的方法,由对象的实际类型决定
    demo.overloadFunction(p);//执行对象的哪个方法,由参数对象的声明类型决定
  }
}

//代码执行结果:
I am ChildClass's f().
I am overloadFunction(ParentClass p).

在上面的代码中,第 31 行代码的 polymorphismFunction() 函数,执行 p 的实际类型的 f() 函数,也就是 ChildClassf() 函数。第 32 行代码的 overloadFunction() 函数,匹配的是重载函数中的 overloadFunction(ParentClass p),也就是根据 p 的声明类型来决定匹配哪个重载函数。

假设 Java 语言支持 Double Dispatch,那下面的代码中的第 37 行就不会报错。代码会在运行时,根据参数(resourceFile)的实际类型(PdfFilePPTFileWordFile),来决定使用 extract2txt 的三个重载函数中的哪一个。那下面的代码实现就能正常运行了,也就不需要访问者模式了。这也回答了为什么支持 Double Dispatch 的语言不需要访问者模式。

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;
  }
}

除了访问者模式,上一篇的例子还有其他实现方案吗?

这里再一块回顾一下那个例子。从网站上爬取了很多资源文件,它们的格式有三种:PDFPPTWord。要开发一个工具来处理这批资源文件,这其中就包含抽取文本内容、压缩资源文件、提取文件元信息等。

实际上,开发这个工具有很多种代码设计和实现思路。为了讲解访问者模式,选择了用访问者模式来实现。实际上,还有其他的实现方法,比如,还可以利用工厂模式来实现,定义一个包含 extract2txt() 接口函数的 Extractor 接口。PdfExtractorPPTExtractorWordExtractor 类实现 Extractor 接口,并且在各自的 extract2txt() 函数中,分别实现 PdfPPTWord 格式文件的文本内容抽取。ExtractorFactory 工厂类根据不同的文件类型,返回不同的 Extractor

这个实现思路其实更加简单,直接看代码。

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

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

  @Override
  public ResourceFileType getType() {
    return ResourceFileType.PDF;
  }

  //...
}

//...PPTFile/WordFile跟PdfFile代码结构类似,此处省略...

public interface Extractor {
  void extract2txt(ResourceFile resourceFile);
}

public class PdfExtractor implements Extractor {
  @Override
  public void extract2txt(ResourceFile resourceFile) {
    //...
  }
}

//...PPTExtractor/WordExtractor跟PdfExtractor代码结构类似,此处省略...

public class ExtractorFactory {
  private static final Map<ResourceFileType, Extractor> extractors = new HashMap<>();
  static {
    extractors.put(ResourceFileType.PDF, new PdfExtractor());
    extractors.put(ResourceFileType.PPT, new PPTExtractor());
    extractors.put(ResourceFileType.WORD, new WordExtractor());
  }

  public static Extractor getExtractor(ResourceFileType type) {
    return extractors.get(type);
  }
}

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

当需要添加新的功能的时候,比如压缩资源文件,类似抽取文本内容功能的代码实现,只需要添加一个 Compressor 接口,PdfCompressorPPTCompressorWordCompressor 三个实现类,以及创建它们的 CompressorFactory 工厂类即可。唯一需要修改的只有最上层的 ToolApplication 类。基本上符合“对扩展开放、对修改关闭”的设计原则。

对于资源文件处理工具这个例子,如果工具提供的功能并不是非常多,只有几个而已,那更推荐使用工厂模式的实现方式,毕竟代码更加清晰、易懂。相反,如果工具提供非常多的功能,比如有十几个,那更推荐使用访问者模式,因为访问者模式需要定义的类要比工厂模式的实现方式少很多,类太多也会影响到代码的可维护性。

重点

总体上来讲,访问者模式难以理解,应用场景有限,不是特别必需,不建议在项目中使用它。所以,对于处理资源文件的例子,更推荐使用工厂模式来设计和实现。

除此之外,重点讲解了 Double Dispatch。在面向对象编程语言中,方法调用可以理解为一种消息传递(Dispatch)。一个对象调用另一个对象的方法,就相当于给它发送一条消息,这条消息起码要包含对象名、方法名和方法参数。

所谓 Single Dispatch,指的是执行哪个对象的方法,根据对象的运行时类型来决定;执行对象的哪个方法,根据方法参数的编译时类型来决定。所谓 Double Dispatch,指的是执行哪个对象的方法,根据对象的运行时类型来决定;执行对象的哪个方法,根据方法参数的运行时类型来决定。

具体到编程语言的语法机制,Single DispatchDouble Dispatch 跟多态和函数重载直接相关。当前主流的面向对象编程语言(比如,JavaC++C#)都只支持 Single Dispatch,不支持 Double Dispatch