原创

设计模式基础(十四)——策略模式

策略模式(Strategy Design Pattern),是一种行为型模式。 它定义了一族算法类,将每个算法分别封装起来,让它们可以互相替换。策略模式可以使算法的变化独立于使用它们的客户端(这里的客户端代指使用算法的代码)。
我们可以利用策略模式来避免冗长的 if-else 或 switch 分支判断, 也可以像模板模式那样,提供框架的扩展点。

一、基本原理

策略模式能够对策略的定义、创建、使用这三部分进行解耦。接下来,我就详细讲讲一个完整的策略模式应该包含的这三个部分。

1.1 策略的定义

策略类的定义比较简单,包含一个策略接口和一组实现这个接口的策略类。因为所有的策略类都实现相同的接口,所以,客户端代码基于接口而非实现编程,可以灵活地替换不同的策略。示例代码如下所示:

public interface Strategy {
  void algorithmInterface();
}

public class ConcreteStrategyA implements Strategy {
  @Override
  public void  algorithmInterface() {
    //具体的算法...
  }
}

public class ConcreteStrategyB implements Strategy {
  @Override
  public void  algorithmInterface() {
    //具体的算法...
  }
}

1.2 策略的创建

因为策略模式会包含一组策略,在使用它们的时候,一般会通过类型(type)来判断创建哪个策略来使用。为了封装创建逻辑,我们需要对客户端代码屏蔽创建细节。我们可以把根据 type 创建策略的逻辑抽离出来,放到工厂类中。示例代码如下所示:

public class StrategyFactory {
  private static final Map<String, Strategy> strategies = new HashMap<>();

  static {
    strategies.put("A", new ConcreteStrategyA());
    strategies.put("B", new ConcreteStrategyB());
  }

  public static Strategy getStrategy(String type) {
    if (type == null || type.isEmpty()) {
      throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
    }
    return strategies.get(type);
  }
}

一般来讲,如果策略类是无状态的,不包含成员变量,只是纯粹的算法实现,这样的策略对象是可以被共享使用的,不需要在每次调用 getStrategy() 的时候,都创建一个新的策略对象。针对这种情况,我们可以使用上面这种工厂类的实现方式,事先创建好每个策略对象,缓存到工厂类中,用的时候直接返回。

相反,如果策略类是有状态的,根据业务场景的需要,我们希望每次从工厂方法中,获得的都是新创建的策略对象,而不是缓存好可共享的策略对象,那我们就需要按照如下方式来实现策略工厂类:

public class StrategyFactory {
  public static Strategy getStrategy(String type) {
    if (type == null || type.isEmpty()) {
      throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
    }

    if (type.equals("A")) {
      return new ConcreteStrategyA();
    } else if (type.equals("B")) {
      return new ConcreteStrategyB();
    }

    return null;
  }
}

1.3 策略的使用

策略模式包含一组可选策略,客户端代码一般如何确定使用哪个策略呢?最常见的是运行时动态确定使用哪种策略,这也是策略模式最典型的应用场景。这里的“运行时动态”指的是,我们事先并不知道会使用哪个策略,而是在程序运行期间,根据配置、用户输入、计算结果等这些不确定因素,动态决定使用哪种策略。

public class UserCache {
  private Map<String, User> cacheData = new HashMap<>();
  private EvictionStrategy eviction;

  public UserCache(EvictionStrategy eviction) {
    this.eviction = eviction;
  }

  //...
}

// 运行时动态确定,根据配置文件的配置决定使用哪种策略
public class Application {
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    EvictionStrategy evictionStrategy = null;
    Properties props = new Properties();
    props.load(new FileInputStream("./config.properties"));
    String type = props.getProperty("eviction_type");
    evictionStrategy = EvictionStrategyFactory.getEvictionStrategy(type);
    UserCache userCache = new UserCache(evictionStrategy);
    //...
  }
}

二、使用场景

策略模式适用于根据不同类型的动态,决定使用哪种策略这样一种应用场景。所以,策略模式可以用于移除复杂的分支判断逻辑。

2.1 移除分支判断

假设我们有下面这样一段代码:

public class OrderService {
  public double discount(Order order) {
    double discount = 0.0;
    OrderType type = order.getType();
    if (type.equals(OrderType.NORMAL)) { // 普通订单
      //...省略折扣计算算法代码
    } else if (type.equals(OrderType.GROUPON)) { // 团购订单
      //...省略折扣计算算法代码
    } else if (type.equals(OrderType.PROMOTION)) { // 促销订单
      //...省略折扣计算算法代码
    }
    return discount;
  }
}

我们可以使用策略模式对上面的代码重构,将不同类型订单的打折策略设计成策略类,并由工厂类来负责创建策略对象。具体的代码如下所示:

public interface DiscountStrategy {
  double calDiscount(Order order);
}

public class DiscountStrategyFactory {
  private static final Map<OrderType, DiscountStrategy> strategies = new HashMap<>();

  static {
    strategies.put(OrderType.NORMAL, new NormalDiscountStrategy());
    strategies.put(OrderType.GROUPON, new GrouponDiscountStrategy());
    strategies.put(OrderType.PROMOTION, new PromotionDiscountStrategy());
  }

  public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType type) {
    return strategies.get(type);
  }
}

// 策略的使用
public class OrderService {
  public double discount(Order order) {
    OrderType type = order.getType();
    DiscountStrategy discountStrategy = DiscountStrategyFactory.getDiscountStrategy(type);
    return discountStrategy.calDiscount(order);
  }
}

重构之后的代码就没有了 if-else 分支判断语句了。 其实我们是将原来的 if-else 分支逻辑,从 OrderService 类中转移到了工厂类中,实际上并没有真正将它移除,但是由于if分支中的逻辑仅仅是创建对象,所以是可以接受的:

public class DiscountStrategyFactory {
  public static DiscountStrategy getDiscountStrategy(OrderType type) {
    if (type == null) {
      throw new IllegalArgumentException("Type should not be null.");
    }
    if (type.equals(OrderType.NORMAL)) {
      return new NormalDiscountStrategy();
    } else if (type.equals(OrderType.GROUPON)) {
      return new GrouponDiscountStrategy();
    } else if (type.equals(OrderType.PROMOTION)) {
      return new PromotionDiscountStrategy();
    }
    return null;
  }
}

2.2 文件排序

假设有这样一个需求:实现对一个文件中的内容进行排序,文件中只包含整型数,并且相邻的数字通过逗号来区隔。

你可能会说,这不是很简单嘛,只需要将文件中的内容读取出来,并且通过逗号分割成一个一个的数字,放到内存数组中,然后使用某种内存排序算法(比如快排)对数组进行排序,最后将排序后的数据写入文件就可以了。

但是,如果文件很大呢?比如有 10GB 大小,因为内存有限(比如只有 8GB 大小),我们没办法一次性加载文件中的所有数据到内存中,这个时候,我们就要利用外部排序算法了。

如果文件更大,比如有 100GB 大小,我们为了利用 CPU 多核的优势,可以在外部排序的基础之上进行优化,加入多线程并发排序的功能,这就有点类似“单机版”的 MapReduce。

如果文件非常大,比如有 1TB 大小,即便是单机多线程排序,这也算很慢了。这个时候,我们可以使用真正的 MapReduce 框架,利用多机的处理能力,提高排序的效率。

我先用最简单直接的方式将它实现出来。因为我们是在讲设计模式,不是讲算法,所以,在下面的代码实现中,我只给出了跟设计模式相关的骨架代码,并没有给出每种排序算法的具体代码实现:

public class Sorter {
  private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;

  public void sortFile(String filePath) {
    File file = new File(filePath);
    long fileSize = file.length();

    if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
      quickSort(filePath);
    } else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
      externalSort(filePath);
    } else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
      concurrentExternalSort(filePath);
    } else { // [100GB, ~)
      mapreduceSort(filePath);
    }
  }

  private void quickSort(String filePath) {
    // 快速排序
  }

  private void externalSort(String filePath) {
    // 外部排序
  }

  private void concurrentExternalSort(String filePath) {
    // 多线程外部排序
  }

  private void mapreduceSort(String filePath) {
    // 利用MapReduce多机排序
  }
}

public class SortingTool {
  public static void main(String[] args) {
    Sorter sorter = new Sorter();
    sorter.sortFile(args[0]);
  }
}

排序算法的实现逻辑都比较复杂,代码行数比较多,将所有排序算法的代码实现都堆在 Sorter 一个类中,这就会导致这个类的代码很多。所以,我们采用策略模式重构上述代码:

public interface ISortAlg {
  void sort(String filePath);
}

public class QuickSort implements ISortAlg {
  @Override
  public void sort(String filePath) {
    //...
  }
}

public class ExternalSort implements ISortAlg {
  @Override
  public void sort(String filePath) {
    //...
  }
}

public class ConcurrentExternalSort implements ISortAlg {
  @Override
  public void sort(String filePath) {
    //...
  }
}

public class MapReduceSort implements ISortAlg {
  @Override
  public void sort(String filePath) {
    //...
  }
}
public class SortAlgFactory {
  private static final Map<String, ISortAlg> algs = new HashMap<>();

  static {
    algs.put("QuickSort", new QuickSort());
    algs.put("ExternalSort", new ExternalSort());
    algs.put("ConcurrentExternalSort", new ConcurrentExternalSort());
    algs.put("MapReduceSort", new MapReduceSort());
  }

  public static ISortAlg getSortAlg(String type) {
    if (type == null || type.isEmpty()) {
      throw new IllegalArgumentException("type should not be empty.");
    }
    return algs.get(type);
  }
}

public class Sorter {
  private static final long GB = 1000 * 1000 * 1000;

  public void sortFile(String filePath) {
    File file = new File(filePath);
    long fileSize = file.length();
    ISortAlg sortAlg;
    if (fileSize < 6 * GB) { // [0, 6GB)
      sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("QuickSort");
    } else if (fileSize < 10 * GB) { // [6GB, 10GB)
      sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ExternalSort");
    } else if (fileSize < 100 * GB) { // [10GB, 100GB)
      sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("ConcurrentExternalSort");
    } else { // [100GB, ~)
      sortAlg = SortAlgFactory.getSortAlg("MapReduceSort");
    }
    sortAlg.sort(filePath);
  }
}

对于 Java 语言来说,我们可以通过反射来避免对策略工厂类的修改。具体是这么做的:我们通过一个配置文件或者自定义的 annotation 来标注都有哪些策略类;策略工厂类读取配置文件或者搜索被 annotation 标注的策略类,然后通过反射动态地加载这些策略类、创建策略对象;当我们新添加一个策略的时候,只需要将这个新添加的策略类添加到配置文件或者用 annotation 标注即可。

三、总结

策略模式定义一族算法类,将每个算法分别封装起来,让它们可以互相替换。策略模式可以使算法的变化独立于使用它的客户端(这里的客户端代指使用算法的代码)。

策略模式用来解耦策略的定义、创建、使用。实际上,一个完整的策略模式就是由这三个部分组成的:

  • 策略类的定义,包含一个策略接口和一组实现这个接口的策略类;
  • 策略的创建,由工厂类来完成,封装策略创建的细节;
  • 策略模式包含一组策略可选,客户端代码如何选择使用哪个策略,有两种确定方法:编译时静态确定和运行时动态确定。其中,“运行时动态确定”才是策略模式最典型的应用场景。
正文到此结束
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