设计模式之美学习(六十)

本文最后更新于:5 个月前

如何利用命令模式实现一个手游后端架构?

参考:命令模式:如何利用命令模式实现一个手游后端架构?

在学习命令模式的过程中,你可能会遇到的最大的疑惑是,感觉命令模式没啥用,是一种过度设计,有更加简单的设计思路可以替代。所以,今天的重点是这个模式的设计意图,搞清楚到底什么情况下才真正需要使用它。

命令模式的原理解读

命令模式的英文翻译是 Command Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中,它是这么定义的:

The command pattern encapsulates a request as an object, thereby letting us parameterize other objects with different requests, queue or log requests, and support undoable operations.

翻译成中文就是下面这样:

命令模式将请求(命令)封装为一个对象,这样可以使用不同的请求参数化其他对象(将不同请求依赖注入到其他对象),并且能够支持请求(命令)的排队执行、记录日志、撤销等(附加控制)功能。

落实到编码实现,命令模式用的最核心的实现手段,是将函数封装成对象。我们知道,C 语言支持函数指针,可以把函数当作变量传递来传递去。但是,在大部分编程语言中,函数没法作为参数传递给其他函数,也没法赋值给变量。借助命令模式,可以将函数封装成对象。具体来说就是,设计一个包含这个函数的类,实例化一个对象传来传去,这样就可以实现把函数像对象一样使用。从实现的角度来说,它类似回调。

把函数封装成对象之后,对象就可以存储下来,方便控制执行。所以,命令模式的主要作用和应用场景,是用来控制命令的执行,比如,异步、延迟、排队执行命令、撤销重做命令、存储命令、给命令记录日志等等,这才是命令模式能发挥独一无二作用的地方。

命令模式的实战

假设正在开发一个类似《QQ 卡丁车》这样的手游。这种游戏本身的复杂度集中在客户端。后端基本上只负责数据(比如积分、生命值、装备)的更新和查询,所以,后端逻辑相对于客户端来说,要简单很多。

为了提高性能,会把游戏中玩家的信息保存在内存中。在游戏进行的过程中,只更新内存中的数据,游戏结束之后,再将内存中的数据存档,也就是持久化到数据库中。为了降低实现的难度,一般来说,同一个游戏场景里的玩家,会被分配到同一台服务上。这样,一个玩家拉取同一个游戏场景中的其他玩家的信息,就不需要跨服务器去查找了,实现起来就简单了很多。

一般来说,游戏客户端和服务器之间的数据交互是比较频繁的,所以,为了节省网络连接建立的开销,客户端和服务器之间一般采用长连接的方式来通信。通信的格式有多种,比如 Protocol BufferJSONXML,甚至可以自定义格式。不管是什么格式,客户端发送给服务器的请求,一般都包括两部分内容:指令和数据。其中,指令我们也可以叫作事件,数据是执行这个指令所需的数据。

服务器在接收到客户端的请求之后,会解析出指令和数据,并且根据指令的不同,执行不同的处理逻辑。对于这样的一个业务场景,一般有两种架构实现思路。

常用的一种实现思路是利用多线程。一个线程接收请求,接收到请求之后,启动一个新的线程来处理请求。具体点讲,一般是通过一个主线程来接收客户端发来的请求。每当接收到一个请求之后,就从一个专门用来处理请求的线程池中,捞出一个空闲线程来处理。

另一种实现思路是在一个线程内轮询接收请求和处理请求。这种处理方式不太常见。尽管它无法利用多线程多核处理的优势,但是对于 IO 密集型的业务来说,它避免了多线程不停切换对性能的损耗,并且克服了多线程编程 Bug 比较难调试的缺点,也算是手游后端服务器开发中比较常见的架构模式了。

接下来就重点讲一下第二种实现方式。

整个手游后端服务器轮询获取客户端发来的请求,获取到请求之后,借助命令模式,把请求包含的数据和处理逻辑封装为命令对象,并存储在内存队列中。然后,再从队列中取出一定数量的命令来执行。执行完成之后,再重新开始新的一轮轮询。具体的示例代码如下所示。

public interface Command {
  void execute();
}

public class GotDiamondCommand implements Command {
  // 省略成员变量

  public GotDiamondCommand(/*数据*/) {
    //...
  }

  @Override
  public void execute() {
    // 执行相应的逻辑
  }
}
//GotStartCommand/HitObstacleCommand/ArchiveCommand类省略

public class GameApplication {
  private static final int MAX_HANDLED_REQ_COUNT_PER_LOOP = 100;
  private final Queue<Command> queue = new LinkedList<>();

  public void mainLoop() {
    while (true) {
      List<Request> requests = new ArrayList<>();
      
      //省略从epoll或者select中获取数据,并封装成Request的逻辑,
      //注意设置超时时间,如果很长时间没有接收到请求,就继续下面的逻辑处理。
      
      for (Request request : requests) {
        Event event = request.getEvent();
        Command command = null;
        if (event.equals(Event.GOT_DIAMOND)) {
          command = new GotDiamondCommand(/*数据*/);
        } else if (event.equals(Event.GOT_STAR)) {
          command = new GotStartCommand(/*数据*/);
        } else if (event.equals(Event.HIT_OBSTACLE)) {
          command = new HitObstacleCommand(/*数据*/);
        } else if (event.equals(Event.ARCHIVE)) {
          command = new ArchiveCommand(/*数据*/);
        } // ...一堆else if...

        queue.add(command);
      }

      int handledCount = 0;
      while (handledCount < MAX_HANDLED_REQ_COUNT_PER_LOOP) {
        if (queue.isEmpty()) {
          break;
        }
        Command command = queue.poll();
        command.execute();
      }
    }
  }
}

命令模式 VS 策略模式

每个设计模式都应该由两部分组成:第一部分是应用场景,即这个模式可以解决哪类问题;第二部分是解决方案,即这个模式的设计思路和具体的代码实现。不过,代码实现并不是模式必须包含的。如果你单纯地只关注解决方案这一部分,甚至只关注代码实现,就会产生大部分模式看起来都很相似的错觉。

实际上,设计模式之间的主要区别还是在于设计意图,也就是应用场景。单纯地看设计思路或者代码实现,有些模式确实很相似,比如策略模式和工厂模式。

策略模式包含策略的定义、创建和使用三部分,从代码结构上来,它非常像工厂模式。它们的区别在于,策略模式侧重“策略”或“算法”这个特定的应用场景,用来解决根据运行时状态从一组策略中选择不同策略的问题,而工厂模式侧重封装对象的创建过程,这里的对象没有任何业务场景的限定,可以是策略,但也可以是其他东西。从设计意图上来,这两个模式完全是两回事儿。

你可能会觉得,命令的执行逻辑也可以看作策略,那它是不是就是策略模式了呢?实际上,这两者有一点细微的区别。

在策略模式中,不同的策略具有相同的目的、不同的实现、互相之间可以替换。比如,BubbleSortSelectionSort 都是为了实现排序的,只不过一个是用冒泡排序算法来实现的,另一个是用选择排序算法来实现的。而在命令模式中,不同的命令具有不同的目的,对应不同的处理逻辑,并且互相之间不可替换。

重点

命令模式在平时工作中并不常用,稍微了解一下就可以。

落实到编码实现,命令模式用到最核心的实现手段,就是将函数封装成对象。在大部分编程语言中,函数是没法作为参数传递给其他函数的,也没法赋值给变量。借助命令模式,将函数封装成对象,这样就可以实现把函数像对象一样使用。

命令模式的主要作用和应用场景,是用来控制命令的执行,比如,异步、延迟、排队执行命令、撤销重做命令、存储命令、给命令记录日志等等,这才是命令模式能发挥独一无二作用的地方。