代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素,而又不暴露其内部的表示。
爆炸性新闻:对象村餐厅和对象村煎饼屋合并了!
真是个好消息!现在我们可以在同一个地方,享用煎饼屋美味的煎饼早餐,和好吃的餐厅午餐了。但是,好像有一点小麻烦:
新的餐厅想用煎饼屋菜单当作早餐的菜单,使用餐厅的菜单当做午餐的菜单,大家都同意了这样实现菜单项。但是大家无法同意菜单的实现。煎饼屋使用ArrayList记录他的菜单项,而餐厅使用的是数组。他们两个都不愿意改变他们的实现,毕竟有太多代码依赖于它们了。
检查菜单项
让我们先检查每份菜单上的项目和实现。
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public class MenuItem { // 名称 String name; // 描述 String description; // 是否为素食 boolean vegetarian; // 价格 double price; public MenuItem(String name, String description, boolean vegetarian, double price) { this.name = name; this.description = description; this.vegetarian = vegetarian; this.price = price; } public String getName() { return name; } public String getDescription() { return description; } public double getPrice() { return price; } public boolean isVegetarian() { return vegetarian; } } |
两个餐厅的菜单实现
我们先来看看两个餐厅的菜单实现
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// 这是煎饼屋的菜单实现 public class PancakeHouseMenu { // 煎饼屋使用一个ArrayList存储他的菜单项 ArrayList menuItems; public PancakeHouseMenu() { menuItems = new ArrayList(); // 在菜单的构造器中,每一个菜单项都会被加入到ArrayList中 // 每个菜单项都有一个名称、一个描述、是否为素食、还有价格 addItem("K&B‘s Pancake Breakfast", "Pancakes with scrambled eggs, and toast", true, 2.99); addItem("Regular Pancake Breakfast", "Pancakes with fried eggs, sausage", false, 2.99); addItem("Blueberry Pancakes", "Pancakes made with fresh blueberries", true, 3.49); addItem("Waffles", "Waffles, with your choice of blueberries or strawberries", true, 3.59); } // 要加入一个菜单项,煎饼屋的做法是创建一个新的菜单项对象, // 传入每一个变量,然后将它加入ArrayList中 public void addItem(String name, String description, boolean vegetarian, double price) { MenuItem menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price); menuItems.add(menuItem); } // 这个方法返回菜单项列表 public ArrayList getMenuItems() { return menuItems; } // 这里还有菜单的其他方法,这些方法都依赖于这个ArrayList,所以煎饼屋不希望重写全部的代码! // ... } // 餐厅的菜单实现 public class DinnerMenu { // 餐厅采用使用的是数组,所以可以控制菜单的长度, // 并且在取出菜单项时,不需要转型 static final int MAX_ITEMS = 6; int numberOfItems = 0; MenuItem[] menuItems; public DinnerMenu() { menuItems = new MenuItem[MAX_ITEMS]; // 和煎饼屋一样,餐厅使用addItem()辅助方法在构造器中创建菜单项的 addItem("Vegetarian BLT", "(Fakin‘) Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", true, 2.99); addItem("BLT", "Bacon with lettuce & tomato on whole wheat", false, 2.99); addItem("Soup of the day", "Soup of the day, with a side of potato salad", false, 3.29); addItem("Hotdog", "A hot dog, with saurkraut, relish, onions, topped with cheese", false, 3.05); } public void addItem(String name, String description, boolean vegetarian, double price) { // 餐厅坚持让菜单保持在一定的长度之内 MenuItem menuItem = new MenuItem(name, description, vegetarian, price); if (numberOfItems >= MAX_ITEMS) { System.err.println("Sorry, menu is full! Can‘t add item to menu"); } else { menuItems[numberOfItems] = menuItem; numberOfItems = numberOfItems + 1; } } // getMenuItems()返回一个菜单项的数组 public MenuItem[] getMenuItems() { return menuItems; } // 正如煎饼屋那样,这里还有很多其他的菜单代码依赖于这个数组 // ... } |
两种不同的菜单表现方式,会带来什么问题?
想了解为什么有两种不同的菜单表现方式会让事情变得复杂化,让我们试着实现一个同时使用这两个菜单的客户代码。假设你已经被两个餐厅合租的新公司雇用,你的工作是创建一个Java版本的女招待,她能应对顾客的需要打印定制的菜单,甚至告诉你是否某个菜单项是素食的,而无需询问厨师。跟我们来看看这份关于女招待的规格,然后看看如何实现她。
Java版本的女招待规格:
printMenu(): | 打印出菜单上的每一项 |
printBreakfastMenu(): | 只打印早餐项 |
printLunchMenu(): | 只打印午餐项 |
printVegetarianMenu(): | 打印所有的素食菜单项 |
isItemVegetarian(name): | 指定项的名称,如果该项是素食,返回true,否则返回false |
我们先从实现printMenu()方法开始:
1.打印每份菜单上的所有项,必须调用PancakeHouseMenu和DinnerMenu的getMenuItems()方法,来取得它们各自的菜单项。请注意,两者的返回类型是不一样的。
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// getMenuItems()方法看起来是一样的,但是调用所返回的结果却是不一样的类型。 // 早餐项是在一个ArrayList中,午餐项则是在一个数组中 PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu = new PancakeHouseMenu(); ArrayList breakfastItems = pancakeHouseMenu.getMenuItems(); DinnerMenu dinnerMenu = new DinnerMenu(); MenuItem[] lunchItems = dinnerMenu.getMenuItems(); |
2.现在,想要打印PancakeHouseMenu的项,我们用循环将早餐ArrayList内的项一一列出来。想要打印DinnerMenu的项目,我们用循环将数组内的项一一列出来。
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// 现在,我们必须实现两个不同的循环,个别处理这两个不同的菜单 for (int i = 0; i < breakfastItems.size(); i++) { MenuItem menuItem = (MenuItem) breakfastItems.get(i); System.out.print(menuItem.getName() + " "); System.out.print(menuItem.getPrice() + " "); System.out.println(menuItem.getDescription() + " "); } for (int i = 0; i < lunchItems.length; i++) { MenuItem menuItem = lunchItems[i]; System.out.print(menuItem.getName() + " "); System.out.print(menuItem.getPrice() + " "); System.out.println(menuItem.getDescription() + " "); } |
3.实现女招待中的其他方法,做法也都和这里的方法相类似。我们总是需要处理两个菜单,并且用两个循环遍历这些项。如果还有第三家餐厅以不同的实现出现,我们就需要有三个循环。
下一步呢?
这两个餐厅让我们很为难,他们都不想改变自身的实现,因为意味着要重写许多代码。但是如果他们其中一人不肯退让,我们就很难办了,我们所写出来的女招待程序将难以维护、难以扩展。
如果我们能够找到一个方法,让他们的菜单实现一个相同的接口,该有多好!这样一来,我们就可以最小化女招待代码中的具体引用,同时还有希望摆脱遍历这两个菜单所需的多个循环。
听起来很棒!但要怎么做呢?
如果你从本书中学到了一件事情,那就是封装变化的部分。很明显,在这里发生变化的是:由不同的集合(collection)类型所造成的遍历。但是,这能够被封装吗?让我们来看看这个想法:
1.要遍历早餐项,我们需要使用ArrayList的size()和get()方法:
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for (int i = 0; i < breakfastItems.size(); i++) { MenuItem menuItem = (MenuItem) breakfastItems.get(i); } |
2.要遍历午餐项,我们需要使用数组的length字段和中括号:
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for (int i = 0; i < lunchItems.length; i++) { MenuItem menuItem = lunchItems[i]; } |
3.现在我们创建一个对象,把它称为迭代器(Iterator),利用它来封装“遍历集合内的每个对象的过程”。先让我们在ArrayList上试试:
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// 我们从breakfastMenu中取得一个菜单项迭代器 Iterator iterator = breakfastMenu.createIterator(); // 当还有其他项时 while (iterator.hasNext()) { // 取得下一项 MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next(); } |
4.将它也在数组上试试:
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// 这里的情况也是一样的:客户只需要调用hasNext()和next()即可, // 而迭代器会暗中使用数组的下标 Iterator iterator = lunchMenu.createIterator(); while (iterator.hasNext()) { MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next(); } |
会见迭代器模式
看起来我们对遍历的封装已经奏效了;你大概也已经猜到,这正是一个设计模式,称为迭代器模式。
关于迭代器模式,你所需要知道的第一件事情,就是它依赖于一个名为迭代器的接口。
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public interface Iterator { // hasNext()方法返回一个布尔值,让我们知道是否还有更多的元素 boolean hasNext(); // next()方法返回下一个元素 Object next(); } |
现在,一旦我们有了这个接口,就可以为各种对象集合实现迭代器:数组、列表、散列表……
让我们继续实现这个迭代器,并将它挂钩到DinnerMenu中,看它是如何工作的。
用迭代器改写餐厅菜单
现在我们需要实现一个具体的迭代器,为餐厅菜单服务:
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public class DinnerMenuIterator implements Iterator { MenuItem[] items; // position记录当前数组遍历的位置 int position = 0; // 构造器需要被传入一个菜单项的数组当做参数 public DinnerMenuIterator(MenuItem[] items) { this.items = items; } // next()方法返回数组内的下一项,并递增其位置 public Object next() { MenuItem menuItem = items[position]; position = position + 1; return menuItem; } // hasNext()方法会检查我们是否已经取得数组内所有的元素。 // 如果还有元素待遍历,则返回true public boolean hasNext() { if (position >= items.length || items[position] == null) { return false; } else { return true; } } } |
好了,我们已经有了迭代器。现在就利用它来改写餐厅菜单:我们只需要加入一个方法创建一个DinnerMenuIterator,并将它返回给客户:
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public class DinnerMenu { static final int MAX_ITEMS = 6; int numberOfItems = 0; MenuItem[] menuItems; // ... // 我们不再需要getMenuItems()方法,事实上,我们根本不想要这个方法, // 因为它会暴露我们内部的实现。 // 这是createIterator()方法,用来从菜单项数组创建一个DinnerMenuIterator, // 并将它返回给客户 public Iterator createIterator() { return new DinnerMenuIterator(menuItems); } // ... } |
现在将迭代器代码整合进女招待中。
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public class Waitress { PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu; DinnerMenu dinnerMenu; // 在构造器中,女招待照顾两个菜单 public Waitress(PancakeHouseMenu pancakeHouseMenu, DinnerMenu dinnerMenu) { this.pancakeHouseMenu = pancakeHouseMenu; this.dinnerMenu = dinnerMenu; } public void printMenu() { // 这个printMenu()方法为每一个菜单各自创建一个迭代器 Iterator pancakeIterator = pancakeHouseMenu.createIterator(); Iterator dinnerIterator = dinnerMenu.createIterator(); // 然后调用重载的printMenu(),将迭代器传入 printMenu(pancakeIterator); printMenu(dinnerIterator); } // 这个重载的printMenu()方法,使用迭代器来遍历菜单项并打印出来 private void printMenu(Iterator iterator) { while (iterator.hasNext()) { MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next(); System.out.println(menuItem.getName() + " " + menuItem.getPrice() + " " + menuItem.getDescription()); } } } |
到目前为止,我们做了些什么?
首先,我们让对象村的厨师们非常快乐。他们可以保持他们自己的实现又可以摆平差别。只要我们给他们这两个迭代器(PancakeHouseMenuIterator和DinnerMenuIterator),他们只需要加入一个createIterator()方法,一切就大功告成了。
这个过程中,我们也帮了我们自己。女招待将会更容易维护和扩展。让我们来彻底检查一下到底我们做了哪些事,以及后果如何:
难以维护的女招待实现 | 由迭代器支持的新女招待 |
菜单封装得不好,餐厅使用的是ArrayList,而煎饼屋使用的是数组。 | 菜单的实现已经被封装起来了。女招待不知道菜单是如何存储菜单项集合的。 |
需要两个循环来遍历菜单项。 | 只要实现迭代器,我们只需要一个循环,就可以多态地处理任何项的集合。 |
女招待捆绑于具体类(MenuItem[]和ArrayList)。 | 女招待现在只使用一个接口(迭代器)。 |
女招待捆绑于两个不同的具体菜单类,尽管这两个类的接口大致上是一样的。 | 现在的菜单接口完全一样。但是,我们还是没有一个共同的接口,也就是说女招待仍然捆绑于两个具体的菜单类。这一点我们最好再修改一下。 |
做一些改良
好了,我们已经知道这两份菜单的接口完全一样,但没有为它们设计一个共同的接口。所以,接下来就要这么做,让女招待更干净一些。
Java有一个内置的Iterator接口,让我们先来看看:
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public interface Iterator<E> { /** * Returns true if there is at least one more element, false otherwise. * @see #next */ public boolean hasNext(); /** * Returns the next object and advances the iterator. * * @return the next object. * @throws NoSuchElementException * if there are no more elements. * @see #hasNext */ public E next(); /** * Removes the last object returned by {@code next} from the collection. * This method can only be called once between each call to {@code next}. * * @throws UnsupportedOperationException * if removing is not supported by the collection being * iterated. * @throws IllegalStateException * if {@code next} has not been called, or {@code remove} has * already been called after the last call to {@code next}. */ public void remove(); } |
这个接口看起来和我们之前定义的一样,只不过多了一个附加的方法,允许我们从聚合中删除由next()方法返回的最后一项。
接下来让我们用java.util.Iterator来清理代码。
让我们先从煎饼屋菜单开始,先把它改用java.util.Iterator,这很容易,只需要删除煎饼屋菜单迭代器,然后在煎饼屋菜单的代码前面加上 import java.util.Iterator。再改变下面这一行代码就可以了:
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public Iterator createIterator() { return menuItems.iterator(); } |
这样PancakeHouseMenu就完成了。
接着,我们处理DinnerMenu,以符合java.util.Iterator的需求。
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public class DinnerMenuIterator implements Iterator { MenuItem[] items; int position = 0; public DinnerMenuIterator(MenuItem[] items) { this.items = items; } public Object next() { MenuItem menuItem = items[position]; position = position + 1; return menuItem; } public boolean hasNext() { if (position >= items.length || items[position] == null) { return false; } else { return true; } } // 我们需要实现remove()方法。因为使用的是固定长度的数组, // 所以在remove()方法被调用时,我们将后面的所有元素往前移动一个位置。 @Override public void remove() { if (position <= 0) { throw new IllegalStateException("You can‘t remove an item until you‘ve done at least one next()"); } if (items[position - 1] != null) { for (int i = position-1; i < (items.length - 1); i++) { items[i] = items[i + 1]; } items[items.length - 1] = null; } } } |
我们只需要给菜单一个共同的接口,然后再稍微改一下女招待。这个Menu接口相当简单:
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public interface Menu { public Iterator createIterator(); } |
现在,我们需要让煎饼屋菜单类和餐厅菜单类都实现Menu接口,然后更新女招待的代码:
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public class Waitress { Menu pancakeHouseMenu; Menu dinnerMenu; // 将具体菜单类改成Menu接口 public Waitress(Menu pancakeHouseMenu, Menu dinnerMenu) { this.pancakeHouseMenu = pancakeHouseMenu; this.dinnerMenu = dinnerMenu; } // 以下的代码没有修改 public void printMenu() { Iterator pancakeIterator = pancakeHouseMenu.createIterator(); Iterator dinnerIterator = dinnerMenu.createIterator(); printMenu(pancakeIterator); printMenu(dinnerIterator); } private void printMenu(Iterator iterator) { while (iterator.hasNext()) { MenuItem menuItem = (MenuItem) iterator.next(); System.out.println(menuItem.getName() + " " + menuItem.getPrice() + " " + menuItem.getDescription()); } } } |
这为我们带来了什么好处?煎饼屋菜单和餐厅菜单的类,都实现了Menu接口,女招待可以利用接口(而不是具体类)引用每一个菜单对象。这样,通过“针对接口编程,而不针对实现编程”,我们就可以减少女招待和具体类之间的依赖。
定义迭代器模式
现在我们来看看这个模式的正式定义:
迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素,而又不暴露其内部的表示。
迭代器模式让我们能游走于聚合内的每一个元素,而又不暴露内部的表示。把游走的任务放在迭代器上,而不是聚合上,这样简化了聚合的接口和实现,也让责任各得其所。
这很有意义:这个模式给你提供了一种方法,可以顺序访问一个聚集对象中的元素,而又不用知道内部是如何表示的。你已经在前面的两个菜单实现中看到了这一点。在设计中使用迭代器的影响是明显的:如果你有一个统一的方法访问聚合中的每一个对象,你就可以编写多态的代码和这些聚合搭配使用,如同前面的printMenu()方法一样,只要有了迭代器这个方法,根本不管菜单项究竟是由数组还是由ArrayList(或者其他能创建迭代器的东西)来保存的。
另一个对你的设计造成重要影响的,是迭代器模式把这些元素之间游走的责任交给迭代器,而不是聚合对象。这不仅让聚合的接口和实现变得更简洁,也可以让聚合更专注在它所应该专注的事情上面(也就是管理对象组合),而不必去理会遍历的事情。
单一责任
如果我们允许我们的聚合实现它们内部的集合,以及相关的操作和遍历的方法,又会如何?我们已经知道这会增加聚合中的方法个数,但又怎样呢?为什么这么做不好?
想知道为什么,首先你需要认清楚,当我们允许一个类不但要完成自己的事情(管理某种聚合),还同时要担负更多的责任(例如遍历)时,我们就给了这个类两个变化的原因。两个?没错,就是两个!如果这个集合改变的话,这个类也必须改变,如果我们遍历的方式改变的话,这个类也必须跟着改变。所以,再一次地,我们的老朋友“改变”又成了我们设计原则的中心:
设计原则:一个类应该只有一个引起变化的原因
我们知道要避免类内的改变,因为修改代码很容易造成许多潜在的错误。如果有一个类具有两个改变的原因,那么这会使得将来该类的变化几率上升,而当它真的改变时,你的设计中同时有两个方面将会受到影响。
没错,这听起来很容易,但其实做起来并不简单:区分设计中的责任,是最困难的事情之一。我们的大脑很习惯看着一大群的行为,然后将它们集中在一起,尽管他们可能属于两个或者多个不同的责任。想要成功的唯一方法,就是努力不懈地检查你的设计,随着系统的成长,随时观察有没有迹象显示某个类改变的原因超出一个。
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