设计模式-命令模式(Command)

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了设计模式-命令模式(Command)。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1. 概念

  • 命令模式(Command Pattern)是一种行为型设计模式,也被称为动作模式或事务模式。它的核心思想是将一个请求封装成一个对象,从而使你可以用不同的请求对客户进行参数化。对请求排队或记录,以及支持可撤销的操作。命令模式的主要目的是将发出请求的对象和执行请求的对象解耦。

2. 原理结构图

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  • Command:这是一个接口,它声明了执行操作的方法。这个接口是所有具体命令类的基础,确保它们具有统一的执行方法调用方式。
  • ConcreteCommand:这是实现了Command接口的具体类。它定义了接收者如何进行具体的操作执行。一个具体的命令类通常会持有一个对接收者的引用,并通过调用接收者的方法来完成请求的处理。
  • Receiver:这是知道如何实施与执行请求相关的操作的类,也就是实际执行命令的对象。任何类都可能成为一个接收者,只要它能够实现命令要求实现的相应功能。
  • Invoker:这是负责调用命令对象执行请求的类,它会持有一个命令对象,并在某个时间点触发命令的执行。调用者作为一个中介,将发起请求的对象和执行请求的对象解耦。

3. 代码示例

3.1 示例1–在线购物系统
  • 实现一个在线购物系统。以下是一个简单的Java代码实现:
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

// 命令接口
interface Command {
    void execute();
}

// 具体命令类:添加商品到购物车
class AddToCartCommand implements Command {
    private ShoppingCart cart;
    private Product product;

    public AddToCartCommand(ShoppingCart cart, Product product) {
        this.cart = cart;
        this.product = product;
    }

    @Override
    public void execute() {
        cart.addProduct(product);
    }
}

// 具体命令类:从购物车中移除商品
class RemoveFromCartCommand implements Command {
    private ShoppingCart cart;
    private Product product;

    public RemoveFromCartCommand(ShoppingCart cart, Product product) {
        this.cart = cart;
        this.product = product;
    }

    @Override
    public void execute() {
        cart.removeProduct(product);
    }
}

// 接收者类:购物车
class ShoppingCart {
    private List<Product> products = new ArrayList<>();

    public void addProduct(Product product) {
        products.add(product);
        System.out.println("Added " + product.getName() + " to the shopping cart.");
    }

    public void removeProduct(Product product) {
        products.remove(product);
        System.out.println("Removed " + product.getName() + " from the shopping cart.");
    }
}

// 调用者类:用户
class User {
    private Command command;

    public void setCommand(Command command) {
        this.command = command;
    }

    public void executeCommand() {
        command.execute();
    }
}

// 产品类
class Product {
    private String name;

    public Product(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

public class ShoppingSystemDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建用户、购物车和产品对象
        User user = new User();
        ShoppingCart cart = new ShoppingCart();
        Product product1 = new Product("Apple");
        Product product2 = new Product("Banana");

        // 添加商品到购物车
        user.setCommand(new AddToCartCommand(cart, product1));
        user.executeCommand();

        // 从购物车中移除商品
        user.setCommand(new RemoveFromCartCommand(cart, product1));
        user.executeCommand();
    }
}

  • 输出
Added Apple to the shopping cart.
Removed Apple from the shopping cart.
  • 在这个例子中,定义了一个命令接口Command,以及两个具体的命令类AddToCartCommand和RemoveFromCartCommand。这些命令类实现了Command接口,并在execute()方法中执行相应的操作。接收者类ShoppingCart负责处理添加和移除商品的操作。调用者类User负责设置命令并执行命令。最后,在main方法中创建了用户、购物车和产品对象,并通过命令模式实现了添加和移除商品的功能。

3.2 示例2
  • 实现一个支持撤销功能的文本编辑器。以下是一个简单的Java代码实现:
// 命令接口
interface Command {
    void execute();
    void undo();
}

// 具体命令类:添加文本
class AddTextCommand implements Command {
    private TextEditor editor;
    private String text;

    public AddTextCommand(TextEditor editor, String text) {
        this.editor = editor;
        this.text = text;
    }

    @Override
    public void execute() {
        editor.addText(text);
    }

    @Override
    public void undo() {
        editor.deleteText(editor.getContentLength() - text.length(), editor.getContentLength());
    }
}

// 具体命令类:删除文本
class DeleteTextCommand implements Command {
    private TextEditor editor;
    private int startIndex;
    private int endIndex;
    private String deletedText;

    public DeleteTextCommand(TextEditor editor, int startIndex, int endIndex) {
        this.editor = editor;
        this.startIndex = startIndex;
        this.endIndex = endIndex;
        this.deletedText = editor.getSubstring(startIndex, endIndex);
    }

    @Override
    public void execute() {
        editor.deleteText(startIndex, endIndex);
    }

    @Override
    public void undo() {
        editor.addText(deletedText);
    }
}

// 接收者类:文本编辑器
class TextEditor {
    private StringBuilder content = new StringBuilder();

    public void addText(String text) {
        content.append(text);
        System.out.println("Added text: " + text);
    }

    public void deleteText(int startIndex, int endIndex) {
        if (startIndex >= 0 && endIndex < content.length()) {
            content.delete(startIndex, endIndex);
            System.out.println("Deleted text from index " + startIndex + " to " + endIndex);
        } else {
            System.out.println("Invalid index range for deletion");
        }
    }

    public int getContentLength() {
        return content.length();
    }

    public String getSubstring(int startIndex, int endIndex) {
        return content.substring(startIndex, endIndex);
    }
}

// 调用者类:用户
class User {
    private Command command;

    public void setCommand(Command command) {
        this.command = command;
    }

    public void executeCommand() {
        command.execute();
    }

    public void undoCommand() {
        command.undo();
    }
}

public class TextEditDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建用户、文本编辑器对象
        User user = new User();
        TextEditor editor = new TextEditor();

        // 添加文本到文本编辑器
        user.setCommand(new AddTextCommand(editor, "Hello, world!"));
        user.executeCommand();

        // 删除文本从文本编辑器
        user.setCommand(new DeleteTextCommand(editor, 0, 5));
        user.executeCommand();

        // 撤销操作
        user.undoCommand();
    }
}
  • 将看到如下输出:
Added text: Hello, world!
Deleted text from index 0 to 5
Added text: Hello
  • 在这个例子中,定义了一个命令接口Command,以及两个具体的命令类AddTextCommand和DeleteTextCommand。这些命令类实现了Command接口,并在execute()方法中执行相应的操作。同时,它们还实现了undo()方法,用于撤销操作。接收者类TextEditor负责处理添加和删除文本的操作。调用者类User负责设置命令并执行命令。最后,在main方法中创建了用户和文本编辑器对象,并通过命令模式实现了添加和删除文本的功能,并支持撤销操作。

4. 优缺点

  • 主要作用
    • 实现调用操作和实现操作的解耦,以及提供记录、撤销/重做和事务等功能处理。
  • 优点
    • 降低系统耦合度:命令模式通过将请求调用者和接收者解耦,使得双方不必相互依赖,从而降低了系统各部分之间的直接联系。
    • 良好的封装性:每个命令都被封装成对象,客户端只需调用相应的命令对象而无需关心具体的执行细节,增强了代码的模块性和复用性。
    • 高扩展性:在命令模式中,新增命令通常不需要从零开始编写,可以利用现有的接收者类和命令类,通过组合或继承来实现,这使得扩展新功能变得简单方便。
    • 方便实现撤销/重做:命令模式可以与备忘录模式结合使用,便于实现对已执行命令的撤销(Undo)和重做(Redo)操作,这对于很多交互式应用程序来说是非常重要的功能。
  • 缺点
    • 实现复杂性:相比直接调用操作,命令模式引入了命令对象和接收者对象之间的额外间接层,这增加了系统的实现复杂性。
    • 维护成本:随着命令类数量的增加,维护成本可能会上升,特别是在命令种类非常多的情况下,管理这些命令可能会变得繁琐。
    • 性能影响:每次调用命令都会产生新的命令对象,这可能会增加内存占用和垃圾回收的频率,从而对系统性能产生一定的影响。
    • 使用限制:如果一个请求的执行需要多个接收者参与,那么命令模式可能需要额外的工作来协调多个接收者之间的交互。
    • 过度设计:对于简单的系统或者不需要解耦请求发起者和执行者的系统,使用命令模式可能会导致设计过度。

5. 应用场景

5.1 主要包括以下几个方面
  1. 自动化操作:在需要程序自动执行一系列步骤的情境中,命令模式可以显著减少用户的手动操作。例如,在计算机安装程序中,程序可以根据用户的选择自动执行一系列操作,而无需用户手动输入每一步的指令。
  2. 多线程操作:在多线程环境中,多个线程可以发出操作命令,而程序可以在后台自动处理这些命令,无需等待线程完成。这有助于提高系统的响应速度和效率。
  3. 存储与回放:命令模式也常用于存储一系列操作,如用户操作数据库的一系列命令。这些命令可以被存储起来,并在需要时重新加载执行,从而让用户能够继续之前的操作,无需重新输入指令。
  4. 请求调用者与接收者解耦:当需要将请求发送者和接收者解耦,使得发送者不需要知道接收者的具体实现细节时,命令模式非常适用。这有助于降低系统的耦合度,提高代码的可读性和可维护性。
  5. 支持撤销和重做操作:命令模式可以记录命令的执行历史,从而支持撤销和重做操作。这在文本编辑器、绘图工具等需要频繁修改和回退的应用中非常有用。
  6. 实现事务性操作:通过将多个命令组合成一个复合命令,命令模式可以实现事务性操作。这确保了要么所有命令都成功执行,要么在发生错误时所有命令都不执行,从而保证了数据的完整性和一致性。

5.2 实际应用
  1. 文本编辑器:在文本编辑器中,用户的操作如复制、粘贴、撤销等都可以被视作命令。使用命令模式可以方便地实现这些操作的记录和撤销。
  2. GUI按钮与操作:图形用户界面中的按钮通常对应特定的操作,例如“保存”按钮会触发保存操作。使用命令模式可以将每个按钮的行为封装成具体的命令对象,使得按钮与实际执行的操作解耦。
  3. 事务处理系统:在数据库事务处理中,一个事务可能包含多个操作步骤。使用命令模式可以将这些步骤封装成命令对象,确保事务的原子性。
  4. 宏命令:在软件系统中,用户可能需要通过一个操作来触发一系列行为。命令模式可以用来创建一个宏命令,该命令包含多个子命令,从而简化用户操作。
  5. 调度系统:在任务调度系统中,可以使用命令模式来表示待执行的任务,这些任务可以被安排在特定时间执行或按照某种规则进行排队。
  6. 游戏:在游戏中,角色的每一个动作(如移动、攻击、跳跃)都可以被抽象为命令,游戏循环可以作为调用者来执行这些命令。
  7. 遥控器:在智能家居系统中,遥控器发送的命令(如开灯、调整温度)可以通过命令模式来实现,使得命令的发送者和接收者可以独立变化。
  8. 工作流引擎:在工作流引擎中,业务流程的各个步骤可以被设计为命令对象,工作流引擎负责调用这些命令来驱动流程的前进。

6. JDK中的使用

  • Runnable接口和Callable接口:Runnable和Callable接口是JDK中线程任务执行的基础,它们都体现了命令模式的思想。
    • 请求封装为对象:Runnable和Callable接口的实例代表了一个可以被线程执行的任务(即命令)。这些任务可以是任何逻辑,只要实现了相应的接口方法。
    • 解耦:通过传递Runnable或Callable对象给线程(如Thread类或线程池),我们实现了任务提交者和任务执行者之间的解耦。提交者不需要知道任务的具体实现细节,只需要关心任务的执行。
    • 灵活性:由于任务被封装为对象,我们可以轻松地将任务传递给不同的线程或线程池执行,也可以将任务存储在队列中等待执行,从而实现更高的灵活性。
  • Comparator接口:Comparator接口用于定义对象的比较逻辑,它常被用于集合的排序操作
    • 请求封装:Comparator的实例代表了一种比较命令,它定义了如何比较两个对象。通过传递不同的Comparator对象给排序方法,我们可以实现不同的排序逻辑。
    • 灵活性:由于比较逻辑被封装为对象,我们可以轻松地为同一个集合定义多种排序方式,而无需修改集合本身或对象的内部状态。
    • 解耦:排序方法和比较逻辑之间的解耦使得代码更加清晰和易于维护。排序方法只需要关注如何根据提供的比较逻辑来排序对象,而不需要关心比较逻辑的具体实现。

7. 注意事项

  1. 注意解耦:确保请求发送者与接收者之间解耦,提高系统灵活性。
  2. 控制命令类数量:避免创建过多的具体命令类,防止系统复杂化。
  3. 考虑撤销与重做:如果需要,实现命令的撤销和重做功能,增强用户体验。
  4. 安全性与权限:确保命令执行的安全性,并进行必要的权限检查。
  5. 命令命名与封装:命令命名应清晰,封装完整的请求信息,确保一致性和完整性。

8. 命令模式 VS 外观模式

模式 类型 目的 模式架构主要角色 应用场景
命令模式 行为型 实现发送者和接收者之间的解耦,使发送者不需要知道接收者的具体实现细节,只需要知道如何发送命令即可 命令接口(Command)、具体命令类(ConcreteCommand)、请求者(Invoker)、接收者(Receiver) 适用于需要记录、处理或执行操作的场景
外观模式 结构型 简化复杂系统的接口 外观类(Facade)和 子系统类(Subsystem) 适用于需要为复杂的子系统提供一个简单接口的场景

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