第16章设计范式

第16章设计范式本章要向大家介绍重要但却并不是那么传统的“范式”（Pattern）程序设计方法。在向面向对象程序设计的演化过程中，或许最重要的一步就是“设计范式”（DesignPattern）的问世。它在由Gamma，Helm和Johnson编著的《DesignPatterns》一书中被定义成一个“里程碑”（该书由Addison-Wesley于1995年出版，注释①）。那本书列出了解决这个问题的23种不同的方法。在本章中，我们准备伴随几个例子揭示出设计范式的基本概念。这或许能激起您阅读《DesignPattern》一书的欲望。事实上，那本书现在已成为几乎所有OOP程序员都必备的参考书。①：但警告大家：书中的例子是用C++写的。本章的后一部分包含了展示设计进化过程的一个例子，首先是比较原始的方案，经过逐渐发展和改进，慢慢成为更符合逻辑、更为恰当的设计。该程序（仿真垃圾分类）一直都在进化，可将这种进化作为自己设计方案的一个原型——先为特定的问题提出一个适当的方案，再逐步改善，使其成为解决那类问题一种最灵活的方案。16.1范式的概念在最开始，可将范式想象成一种特别聪明、能够自我适应的手法，它可以解决特定类型的问题。也就是说，它类似一些需要全面认识某个问题的人。在了解了问题的方方面面以后，最后提出一套最通用、最灵活的解决方案。具体问题或许是以前见到并解决过的。然而，从前的方案也许并不是最完善的，大家会看到它如何在一个范式里具体表达出来。尽管我们称之为“设计范式”，但它们实际上并不局限于设计领域。思考“范式”时，应脱离传统意义上分析、设计以及实施的思考方式。相反，“范式”是在一个程序里具体表达一套完整的思想，所以它有时可能出现在分析阶段或者高级设计阶段。这一点是非常有趣的，因为范式具有以代码形式直接实现的形式，所以可能不希望它在低级设计或者具体实施以前显露出来（而且事实上，除非真正进入那些阶段，否则一般意识不到自己需要一个范式来解决问题）。范式的基本概念亦可看成是程序设计的基本概念：添加一层新的抽象！只要我们抽象了某些东西，就相当于隔离了特定的细节。而且这后面最引人注目的动机就是“将保持不变的东西身上发生的变化孤立出来”。这样做的另一个原因是一旦发现程序的某部分由于这样或那样的原因可能发生变化，我们一般都想防止那些改变在代码内部繁衍出其他变化。这样做不仅可以降低代码的维护代价，也更便于我们理解（结果同样是降低开销）。为设计出功能强大且易于维护的应用项目，通常最困难的部分就是找出我称之为“领头变化”的东西。这意味着需要找出造成系统改变的最重要的东西，或者换一个角度，找出付出代价最高、开销最大的那一部分。一旦发现了“领头变化”，就可以为自己定下一个焦点，围绕它展开自己的设计。所以设计范式的最终目标就是将代码中变化的内容隔离开。如果从这个角度观察，就会发现本书实际已采用了一些设计范式。举个例子来说，继承可以想象成一种设计范式（类似一个由编译器实现的）。在都拥有同样接口（即保持不变的东西）的对象内部，它允许我们表达行为上的差异（即发生变化的东西）。合成亦可想象成一种范式，因为它允许我们修改——动态或静态——用于实现类的对象，所以也能修改类的运作方式。在《DesignPatterns》一书中，大家还能看到另一种范式：“继承器”（即Iterator，Java1.0和1.1不负责任地把它叫作Enumeration，即“枚举”；Java1.2的集合则改回了“继承器”的称呼）。当我们在集合里遍历，逐个选择不同的元素时，继承器可将集合的实施细节有效地隐藏起来。利用继承器，可以编写出通用的代码，以便对一个序列里的所有元素采取某种操作，同时不必关心这个序列是如何构建的。这样一来，我们的通用代码即可伴随任何能产生继承器的集合使用。16.1.1单子或许最简单的设计范式就是“单子”（Singleton），它能提供对象的一个（而且只有一个）实例。单子在Java库中得到了应用，但下面这个例子显得更直接一些：909-910页程序创建单子的关键就是防止客户程序员采用除由我们提供的之外的任何一种方式来创建一个对象。必须将所有构建器都设为private（私有），而且至少要创建一个构建器，以防止编译器帮我们自动同步一个默认构建器（它会自做聪明地创建成为“友好的”——friendly，而非private）。此时应决定如何创建自己的对象。在这儿，我们选择了静态创建的方式。但亦可选择等候客户程序员发出一个创建请求，然后根据他们的要求动态创建。不管在哪种情况下，对象都应该保存为“私有”属性。我们通过公用方法提供访问途径。在这里，getHandle()会产生指向Singleton的一个句柄。剩下的接口（getValue()和setValue()）属于普通的类接口。Java也允许通过克隆（Clone）方式来创建一个对象。在这个例子中，将类设为final可禁止克隆的发生。由于Singleton是从Object直接继承的，所以clone()方法会保持protected（受保护）属性，不能够使用它（强行使用会造成编译期错误）。然而，假如我们是从一个类结构中继承，那个结构已经过载了clone()方法，使其具有public属性，并实现了Cloneable，那么为了禁止克隆，需要过载clone()，并掷出一个CloneNotSupportedException（不支持克隆违例），就象第12章介绍的那样。亦可过载clone()，并简单地返回this。那样做会造成一定的混淆，因为客户程序员可能错误地认为对象尚未克隆，仍然操纵的是原来的那个。注意我们并不限于只能创建一个对象。亦可利用该技术创建一个有限的对象池。但在那种情况下，可能需要解决池内对象的共享问题。如果不幸真的遇到这个问题，可以自己设计一套方案，实现共享对象的登记与撤消登记。16.1.2范式分类《DesignPatterns》一书讨论了23种不同的范式，并依据三个标准分类（所有标准都涉及那些可能发生变化的方面）。这三个标准是：(1)创建：对象的创建方式。这通常涉及对象创建细节的隔离，这样便不必依赖具体类型的对象，所以在新添一种对象类型时也不必改动代码。(2)结构：设计对象，满足特定的项目限制。这涉及对象与其他对象的连接方式，以保证系统内的改变不会影响到这些连接。(3)行为：对程序中特定类型的行动进行操纵的对象。这要求我们将希望采取的操作封装起来，比如解释一种语言、实现一个请求、在一个序列中遍历（就象在继承器中那样）或者实现一种算法。本章提供了“观察器”（Observer）和“访问器”（Visitor）的范式的例子。《DesignPatterns》为所有这23种范式都分别使用了一节，随附的还有大量示例，但大多是用C++编写的，少数用Smalltalk编写（如看过这本书，就知道这实际并不是个大问题，因为很容易即可将基本概念从两种语言翻译到Java里）。现在这本书并不打算重复《DesignPatterns》介绍的所有范式，因为那是一本独立的书，大家应该单独阅读。相反，本章只准备给出一些例子，让大家先对范式有个大致的印象，并理解它们的重要性到底在哪里。16.2观察器范式观察器（Observer）范式解决的是一个相当普通的问题：由于某些对象的状态发生了改变，所以一组对象都需要更新，那么该如何解决？在Smalltalk的MVC（模型－视图－控制器）的“模型－视图”部分中，或在几乎等价的“文档－视图结构”中，大家可以看到这个问题。现在我们有一些数据（“文档”）以及多个视图，假定为一张图（Plot）和一个文本视图。若改变了数据，两个视图必须知道对自己进行更新，而那正是“观察器”要负责的工作。这是一种十分常见的问题，它的解决方案已包括进标准的java.util库中。在Java中，有两种类型的对象用来实现观察器范式。其中，Observable类用于跟踪那些当发生一个改变时希望收到通知的所有个体——无论“状态”是否改变。如果有人说“好了，所有人都要检查自己，并可能要进行更新”，那么Observable类会执行这个任务——为列表中的每个“人”都调用notifyObservers()方法。notifyObservers()方法属于基础类Observable的一部分。在观察器范式中，实际有两个方面可能发生变化：观察对象的数量以及更新的方式。也就是说，观察器范式允许我们同时修改这两个方面，不会干扰围绕在它周围的其他代码。下面这个例子类似于第14章的ColorBoxes示例。箱子（Boxes）置于一个屏幕网格中，每个都初始化一种随机的颜色。此外，每个箱子都“实现”（implement）了“观察器”（Observer）接口，而且随一个Observable对象进行了注册。若点击一个箱子，其他所有箱子都会收到一个通知，指出一个改变已经发生。这是由于Observable对象会自动调用每个Observer对象的update()方法。在这个方法内，箱子会检查被点中的那个箱子是否与自己紧邻。若答案是肯定的，那么也修改自己的颜色，保持与点中那个箱子的协调。912-914页程序如果是首次查阅Observable的联机帮助文档，可能会多少感到有些困惑，因为它似乎表明可以用一个原始的Observable对象来管理更新。但这种说法是不成立的；大家可自己试试——在BoxObserver中，创建一个Observable对象，替换BoxObservable对象，看看会有什么事情发生。事实上，什么事情也不会发生。为真正产生效果，必须从Observable继承，并在衍生类代码的某个地方调用setChanged()。这个方法需要设置“changed”（已改变）标志，它意味着当我们调用notifyObservers()的时候，所有观察器事实上都会收到通知。在上面的例子中，setChanged()只是简单地在notifyObservers()中调用，大家可依据符合实际情况的任何标准决定何时调用setChanged()。BoxObserver包含了单个Observable对象，名为notifier。每次创建一个OCBox对象时，它都会同notifier联系到一起。在OCBox中，只要点击鼠标，就会发出对notifyObservers()方法的调用，并将被点中的那个对象作为一个参数传递进去，使收到消息（用它们的update()方法）的所有箱子都能知道谁被点中了，并据此判断自己是否也要变动。通过notifyObservers()和update()中的代码的结合，我们可以应付一些非常复杂的局面。在notifyObservers()方法中，表面上似乎观察器收到通知的方式必须在编译期间固定下来。然而，只要稍微仔细研究一下上面的代码，就会发现BoxObserver或OCBox中唯一需要留意是否使用BoxObservable的地方就是创建Observable对象的时候——从那时开始，所有东西都会使用基本的Observable接口。这意味着以后若想更改通知方式，可以继承其他Observable类，并在运行期间交换它们。16.3模拟垃圾回收站这个问题的本质是若将垃圾丢进单个垃圾筒，事实上是未经分类的。但在以后，某些特殊的信息必须恢复，以便对垃圾正确地归类。在最开始的解决方案中，RTTI扮演了关键的角色（详见第11章）。这并不是一种普通的设计，因为它增加了一个新的限制。正是这个限制使问题变得非常有趣——它更象我们在工作中碰到的那些非常麻烦的问题。这个额外的限制是：垃圾抵达垃圾回收站时，它们全都是混合在一起的。程序必须为那些垃圾的分类定出一个模型。这正是RTTI发挥作用的地方：我们有大量不知名的垃圾，程序将正确判断出它们所属的类型。915-917页程序要注意的第一个地方是package语句：packagec16.recyclea;这意味着在本书采用的源码目录中，这个文件会被置入从c16（代表第16章的程序）分支出来的recyclea子目录中。第17章的解包工具会负责将其置入正确的子目录。之所以要这样做，是因为本章会多次改写这个