JAVA設(shè)計模式之訪問者模式詳解
在閻宏博士的《JAVA與模式》一書中開頭是這樣描述訪問者（Visitor）模式的：
訪問者模式是對象的行為模式。訪問者模式的目的是封裝一些施加于某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)元素之上的操作。一旦這些操作需要修改的話，接受這個操作的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則可以保持不變。
分派的概念
變量被聲明時的類型叫做變量的靜態(tài)類型(Static Type)，有些人又把靜態(tài)類型叫做明顯類型(Apparent Type)；而變量所引用的對象的真實類型又叫做變量的實際類型(Actual Type)。比如：
List list = null;
list = new ArrayList();
聲明了一個變量list，它的靜態(tài)類型（也叫明顯類型）是List，而它的實際類型是ArrayList。
根據(jù)對象的類型而對方法進行的選擇，就是分派(Dispatch)，分派(Dispatch)又分為兩種，即靜態(tài)分派和動態(tài)分派。
靜態(tài)分派(Static Dispatch)發(fā)生在編譯時期，分派根據(jù)靜態(tài)類型信息發(fā)生。靜態(tài)分派對于我們來說并不陌生，方法重載就是靜態(tài)分派。
動態(tài)分派(Dynamic Dispatch)發(fā)生在運行時期，動態(tài)分派動態(tài)地置換掉某個方法。
靜態(tài)分派
Java通過方法重載支持靜態(tài)分派。用墨子騎馬的故事作為例子，墨子可以騎白馬或者黑馬。墨子與白馬、黑馬和馬的類圖如下所示：
在這個系統(tǒng)中，墨子由Mozi類代表
public class Mozi {
public void ride(Horse h){
System.out.println("騎馬");
}
public void ride(WhiteHorse wh){
System.out.println("騎白馬");
}
public void ride(BlackHorse bh){
System.out.println("騎黑馬");
}
public static void main(String[] args) {
Horse wh = new WhiteHorse();
Horse bh = new BlackHorse();
Mozi mozi = new Mozi();
mozi.ride(wh);
mozi.ride(bh);
}
}
顯然，Mozi類的ride()方法是由三個方法重載而成的。這三個方法分別接受馬(Horse)、白馬(WhiteHorse)、黑馬(BlackHorse)等類型的參數(shù)。
那么在運行時，程序會打印出什么結(jié)果呢？結(jié)果是程序會打印出相同的兩行“騎馬”。換言之，墨子發(fā)現(xiàn)他所騎的都是馬。
為什么呢？兩次對ride()方法的調(diào)用傳入的是不同的參數(shù)，也就是wh和bh。它們雖然具有不同的真實類型，但是它們的靜態(tài)類型都是一樣的，均是Horse類型。
重載方法的分派是根據(jù)靜態(tài)類型進行的，這個分派過程在編譯時期就完成了。
動態(tài)分派
Java通過方法的重寫支持動態(tài)分派。用馬吃草的故事作為例子，代碼如下所示：
public class Horse {
public void eat(){
System.out.println("馬吃草");
}
}
public class BlackHorse extends Horse {
@Override
public void eat() {
System.out.println("黑馬吃草");
}
}
public class Client {
public static void main(String[] args) {
Horse h = new BlackHorse();
h.eat();
}
}
變量h的靜態(tài)類型是Horse，而真實類型是BlackHorse。如果上面最后一行的eat()方法調(diào)用的是BlackHorse類的eat()方法，那么上面打印的就是“黑馬吃草”；相反，如果上面的eat()方法調(diào)用的是Horse類的eat()方法，那么打印的就是“馬吃草”。
所以，問題的核心就是Java編譯器在編譯時期并不總是知道哪些代碼會被執(zhí)行，因為編譯器僅僅知道對象的靜態(tài)類型，而不知道對象的真實類型；而方法的調(diào)用則是根據(jù)對象的真實類型，而不是靜態(tài)類型。這樣一來，上面最后一行的eat()方法調(diào)用的是BlackHorse類的eat()方法，打印的是“黑馬吃草”。
分派的類型
一個方法所屬的對象叫做方法的接收者，方法的接收者與方法的參數(shù)統(tǒng)稱做方法的宗量。比如下面例子中的Test類
public class Test {
public void print(String str){
System.out.println(str);
}
}
在上面的類中，print()方法屬于Test對象，所以它的接收者也就是Test對象了。print()方法有一個參數(shù)是str,它的類型是String。
根據(jù)分派可以基于多少種宗量，可以將面向?qū)ο蟮恼Z言劃分為單分派語言(Uni-Dispatch)和多分派語言(Multi-Dispatch)。單分派語言根據(jù)一個宗量的類型進行對方法的選擇，多分派語言根據(jù)多于一個的宗量的類型對方法進行選擇。
C++和Java均是單分派語言，多分派語言的例子包括CLOS和Cecil。按照這樣的區(qū)分，Java就是動態(tài)的單分派語言，因為這種語言的動態(tài)分派僅僅會考慮到方法的接收者的類型，同時又是靜態(tài)的多分派語言，因為這種語言對重載方法的分派會考慮到方法的接收者的類型以及方法的所有參數(shù)的類型。
在一個支持動態(tài)單分派的語言里面，有兩個條件決定了一個請求會調(diào)用哪一個操作：一是請求的名字，而是接收者的真實類型。單分派限制了方法的選擇過程，使得只有一個宗量可以被考慮到，這個宗量通常就是方法的接收者。在Java語言里面，如果一個操作是作用于某個類型不明的對象上面，那么對這個對象的真實類型測試僅會發(fā)生一次，這就是動態(tài)的單分派的特征。
雙重分派
一個方法根據(jù)兩個宗量的類型來決定執(zhí)行不同的代碼，這就是“雙重分派”。Java語言不支持動態(tài)的多分派，也就意味著Java不支持動態(tài)的雙分派。但是通過使用設(shè)計模式，也可以在Java語言里實現(xiàn)動態(tài)的雙重分派。
在Java中可以通過兩次方法調(diào)用來達到兩次分派的目的。類圖如下所示：
在圖中有兩個對象，左邊的叫做West，右邊的叫做East。現(xiàn)在West對象首先調(diào)用East對象的goEast()方法，并將它自己傳入。在East對象被調(diào)用時，立即根據(jù)傳入的參數(shù)知道了調(diào)用者是誰，于是反過來調(diào)用“調(diào)用者”對象的goWest()方法。通過兩次調(diào)用將程序控制權(quán)輪番交給兩個對象，其時序圖如下所示：
這樣就出現(xiàn)了兩次方法調(diào)用，程序控制權(quán)被兩個對象像傳球一樣，首先由West對象傳給了East對象，然后又被返傳給了West對象。
但是僅僅返傳了一下球，并不能解決雙重分派的問題。關(guān)鍵是怎樣利用這兩次調(diào)用，以及Java語言的動態(tài)單分派功能，使得在這種傳球的過程中，能夠觸發(fā)兩次單分派。
動態(tài)單分派在Java語言中是在子類重寫父類的方法時發(fā)生的。換言之，West和East都必須分別置身于自己的類型等級結(jié)構(gòu)中，如下圖所示：
源代碼
West類
public abstract class West {
public abstract void goWest1(SubEast1 east);
public abstract void goWest2(SubEast2 east);
}
SubWest1類
public class SubWest1 extends West{
@Override
public void goWest1(SubEast1 east) {
System.out.println("SubWest1 + " + east.myName1());
}
@Override
public void goWest2(SubEast2 east) {
System.out.println("SubWest1 + " + east.myName2());
}
}
SubWest2類
public class SubWest2 extends West{
@Override
public void goWest1(SubEast1 east) {
System.out.println("SubWest2 + " + east.myName1());
}
@Override
public void goWest2(SubEast2 east) {
System.out.println("SubWest2 + " + east.myName2());
}
}
East類
public abstract class East {
public abstract void goEast(West west);
}
SubEast1類
public class SubEast1 extends East{
@Override
public void goEast(West west) {
west.goWest1(this);
}
public String myName1(){
return "SubEast1";
}
}
SubEast2類
public class SubEast2 extends East{
@Override
public void goEast(West west) {
west.goWest2(this);
}
public String myName2(){
return "SubEast2";
}
}
客戶端類
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//組合1
East east = new SubEast1();
West west = new SubWest1();
east.goEast(west);
//組合2
east = new SubEast1();
west = new SubWest2();
east.goEast(west);
}
}
運行結(jié)果如下
SubWest1 + SubEast1
SubWest2 + SubEast1
系統(tǒng)運行時，會首先創(chuàng)建SubWest1和SubEast1對象，然后客戶端調(diào)用SubEast1的goEast()方法，并將SubWest1對象傳入。由于SubEast1對象重寫了其超類East的goEast()方法，因此，這個時候就發(fā)生了一次動態(tài)的單分派。當SubEast1對象接到調(diào)用時，會從參數(shù)中得到SubWest1對象，所以它就立即調(diào)用這個對象的goWest1()方法，并將自己傳入。由于SubEast1對象有權(quán)選擇調(diào)用哪一個對象，因此，在此時又進行一次動態(tài)的方法分派。
這個時候SubWest1對象就得到了SubEast1對象。通過調(diào)用這個對象myName1()方法，就可以打印出自己的名字和SubEast對象的名字，其時序圖如下所示：
由于這兩個名字一個來自East等級結(jié)構(gòu)，另一個來自West等級結(jié)構(gòu)中，因此，它們的組合式是動態(tài)決定的。這就是動態(tài)雙重分派的實現(xiàn)機制。
訪問者模式的結(jié)構(gòu)
訪問者模式適用于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對未定的系統(tǒng)，它把數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和作用于結(jié)構(gòu)上的操作之間的耦合解脫開，使得操作集合可以相對自由地演化。訪問者模式的簡略圖如下所示：
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的每一個節(jié)點都可以接受一個訪問者的調(diào)用，此節(jié)點向訪問者對象傳入節(jié)點對象，而訪問者對象則反過來執(zhí)行節(jié)點對象的操作。這樣的過程叫做“雙重分派”。節(jié)點調(diào)用訪問者，將它自己傳入，訪問者則將某算法針對此節(jié)點執(zhí)行。訪問者模式的示意性類圖如下所示：
訪問者模式涉及到的角色如下：
● 抽象訪問者(Visitor)角色：聲明了一個或者多個方法操作，形成所有的具體訪問者角色必須實現(xiàn)的接口。
● 具體訪問者(ConcreteVisitor)角色：實現(xiàn)抽象訪問者所聲明的接口，也就是抽象訪問者所聲明的各個訪問操作。
● 抽象節(jié)點(Node)角色：聲明一個接受操作，接受一個訪問者對象作為一個參數(shù)。
● 具體節(jié)點(ConcreteNode)角色：實現(xiàn)了抽象節(jié)點所規(guī)定的接受操作。
● 結(jié)構(gòu)對象(ObjectStructure)角色：有如下的責任，可以遍歷結(jié)構(gòu)中的所有元素；如果需要，提供一個高層次的接口讓訪問者對象可以訪問每一個元素；如果需要，可以設(shè)計成一個復(fù)合對象或者一個聚集，如List或Set。
源代碼
可以看到，抽象訪問者角色為每一個具體節(jié)點都準備了一個訪問操作。由于有兩個節(jié)點，因此，對應(yīng)就有兩個訪問操作。
public interface Visitor {
/**
* 對應(yīng)于NodeA的訪問操作
*/
public void visit(NodeA node);
/**
* 對應(yīng)于NodeB的訪問操作
*/
public void visit(NodeB node);
}
具體訪問者VisitorA類
public class VisitorA implements Visitor {
/**
* 對應(yīng)于NodeA的訪問操作
*/
@Override
public void visit(NodeA node) {
System.out.println(node.operationA());
}
/**
* 對應(yīng)于NodeB的訪問操作
*/
@Override
public void visit(NodeB node) {
System.out.println(node.operationB());
}
}
具體訪問者VisitorB類
public class VisitorB implements Visitor {
/**
* 對應(yīng)于NodeA的訪問操作
*/
@Override
public void visit(NodeA node) {
System.out.println(node.operationA());
}
/**
* 對應(yīng)于NodeB的訪問操作
*/
@Override
public void visit(NodeB node) {
System.out.println(node.operationB());
}
}
抽象節(jié)點類
public abstract class Node {
/**
* 接受操作
*/
public abstract void accept(Visitor visitor);
}
具體節(jié)點類NodeA
public class NodeA extends Node{
/**
* 接受操作
*/
@Override
public void accept(Visitor visitor) {
visitor.visit(this);
}
/**
* NodeA特有的方法
*/
public String operationA(){
return "NodeA";
}
}
具體節(jié)點類NodeB
public class NodeB extends Node{
/**
* 接受方法
*/
@Override
public void accept(Visitor visitor) {
visitor.visit(this);
}
/**
* NodeB特有的方法
*/
public String operationB(){
return "NodeB";
}
}
結(jié)構(gòu)對象角色類，這個結(jié)構(gòu)對象角色持有一個聚集，并向外界提供add()方法作為對聚集的管理操作。通過調(diào)用這個方法，可以動態(tài)地增加一個新的節(jié)點。
public class ObjectStructure {
private List<Node> nodes = new ArrayList<Node>();
/**
* 執(zhí)行方法操作
*/
public void action(Visitor visitor){
for(Node node : nodes)
{
node.accept(visitor);
}
}
/**
* 添加一個新元素
*/
public void add(Node node){
nodes.add(node);
}
}
客戶端類
public class Client {
public static void main(String[] args) {
//創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)對象
ObjectStructure os = new ObjectStructure();
//給結(jié)構(gòu)增加一個節(jié)點
os.add(new NodeA());
//給結(jié)構(gòu)增加一個節(jié)點
os.add(new NodeB());
//創(chuàng)建一個訪問者
Visitor visitor = new VisitorA();
os.action(visitor);
}
}
雖然在這個示意性的實現(xiàn)里并沒有出現(xiàn)一個復(fù)雜的具有多個樹枝節(jié)點的對象樹結(jié)構(gòu)，但是，在實際系統(tǒng)中訪問者模式通常是用來處理復(fù)雜的對象樹結(jié)構(gòu)的，而且訪問者模式可以用來處理跨越多個等級結(jié)構(gòu)的樹結(jié)構(gòu)問題。這正是訪問者模式的功能強大之處。
準備過程時序圖
首先，這個示意性的客戶端創(chuàng)建了一個結(jié)構(gòu)對象，然后將一個新的NodeA對象和一個新的NodeB對象傳入。
其次，客戶端創(chuàng)建了一個VisitorA對象，并將此對象傳給結(jié)構(gòu)對象。
然后，客戶端調(diào)用結(jié)構(gòu)對象聚集管理方法，將NodeA和NodeB節(jié)點加入到結(jié)構(gòu)對象中去。
最后，客戶端調(diào)用結(jié)構(gòu)對象的行動方法action()，啟動訪問過程。
訪問過程時序圖
結(jié)構(gòu)對象會遍歷它自己所保存的聚集中的所有節(jié)點，在本系統(tǒng)中就是節(jié)點NodeA和NodeB。首先NodeA會被訪問到，這個訪問是由以下的操作組成的：
?。?）NodeA對象的接受方法accept()被調(diào)用，并將VisitorA對象本身傳入；
?。?）NodeA對象反過來調(diào)用VisitorA對象的訪問方法，并將NodeA對象本身傳入；
?。?）VisitorA對象調(diào)用NodeA對象的特有方法operationA()。
從而就完成了雙重分派過程，接著，NodeB會被訪問，這個訪問的過程和NodeA被訪問的過程是一樣的，這里不再敘述。
訪問者模式的優(yōu)點
● 好的擴展性
能夠在不修改對象結(jié)構(gòu)中的元素的情況下，為對象結(jié)構(gòu)中的元素添加新的功能。
● 好的復(fù)用性
可以通過訪問者來定義整個對象結(jié)構(gòu)通用的功能，從而提高復(fù)用程度。
● 分離無關(guān)行為
可以通過訪問者來分離無關(guān)的行為，把相關(guān)的行為封裝在一起，構(gòu)成一個訪問者，這樣每一個訪問者的功能都比較單一。
訪問者模式的缺點
● 對象結(jié)構(gòu)變化很困難
不適用于對象結(jié)構(gòu)中的類經(jīng)常變化的情況，因為對象結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，訪問者的接口和訪問者的實現(xiàn)都要發(fā)生相應(yīng)的改變，代價太高。
● 破壞封裝
訪問者模式通常需要對象結(jié)構(gòu)開放內(nèi)部數(shù)據(jù)給訪問者和ObjectStructrue，這破壞了對象的封裝性。
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