设计模式：策略设计模式

一、什么是策略设计模式

1.1 策略设计模式定义

策略设计模式（Strategy Pattern）是一种定义一系列算法的方法，从概念上来看，所有这些算法完成的都是相同的工作，只是实现不同，它可以让算法的变化独立于使用算法的客户端。

1.2 策略设计模式应用场景

策略设计模式通常在以下场景中使用：

• 当需要在不同情况下使用不同的算法时
• 当一个类有多种行为或算法，并且这些行为或算法可以在运行时切换时
• 当需要避免使用多重条件语句或大量的if-else语句时

二、策略设计模式的组成部分

策略设计模式通常由三个部分组成：

2.1 抽象策略类

抽象策略类定义了一个算法族，其中每个算法都是一个方法。抽象策略类通过抽象方法来约束具体策略类的行为。

public interface Strategy {
    public int doOperation(int num1, int num2);
}

2.2 具体策略类

具体策略类实现了抽象策略类中定义的算法，每个具体策略类都实现了一种算法。

public class OperationAdd implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 + num2;
   }
}

public class OperationSubtract implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 - num2;
   }
}

public class OperationMultiply implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 * num2;
   }
}

2.3 环境类

环境类持有一个抽象策略类的引用，用于调用具体的策略类中实现的算法。

public class Context {
   private Strategy strategy;

   public Context(Strategy strategy){
      this.strategy = strategy;
   }

   public int executeStrategy(int num1, int num2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

三、策略设计模式的实现步骤

在使用策略设计模式时，通常需要按照以下步骤进行：

3.1 定义策略接口或抽象类

定义一个抽象的策略接口或抽象类，其中声明了一个抽象的算法方法。

public interface Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2);
}

3.2 实现具体策略类

实现具体的策略类，这些类实现了策略接口或抽象类中定义的算法。

public class OperationAdd implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 + num2;
   }
}

public class OperationSubtract implements Strategy {
   public int doOperation(int num1,int num2) {
      return num1 - num2;
   }
}

public class OperationMultiply implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 * num2;
   }
}

3.3 定义环境类

定义一个环境类，持有一个抽象策略类的引用，用于调用具体的策略类中实现的算法。

public class Context {
   private Strategy strategy;

   public Context(Strategy strategy){
      this.strategy = strategy;
   }

   public int executeStrategy(int num1, int num2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

3.4 在环境类中使用策略类

在环境类中使用具体的策略类。

public static void main(String[] args) {
   Context context = new Context(new OperationAdd());        
   System.out.println("10 + 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));

   context = new Context(new OperationSubtract());       
   System.out.println("10 - 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));

   context = new Context(new OperationMultiply());        
   System.out.println("10 * 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));
}

四、策略设计模式的优缺点

4.1 优点

• 策略设计模式能够提供更好的扩展性，由于策略类是可以自由切换的，因此可以非常方便地实现新的算法或业务逻辑。
• 策略设计模式可以提高代码的复用性，由于不同的算法可以共享同一个抽象策略类，因此可以避免重复的代码。
• 策略设计模式能够提高代码的可读性和可维护性，由于不同的算法都被封装在不同的策略类中，因此代码结构更加清晰，易于理解和维护。

4.2 缺点

• 策略设计模式需要定义大量的策略类，这会增加代码量和复杂度。
• 策略设计模式需要客户端了解不同的策略类并选择合适的策略类，这会增加客户端的负担。

五、策略设计模式与其他设计模式的区别

5.1 策略设计模式与模板方法模式的区别

策略设计模式和模板方法模式都是行为型设计模式，它们都关注于类的行为。它们的区别在于：

• 策略设计模式关注于算法的不同实现，而模板方法模式关注于算法的不同步骤。
• 在策略设计模式中，不同的算法可以自由切换，而在模板方法模式中，算法的不同步骤是固定的，只能在子类中重写。
• 策略设计模式中，客户端需要了解不同的策略类并选择合适的策略类，而在模板方法模式中，客户端不需要了解不同的实现方式。

5.2 策略设计模式与状态模式的区别

策略设计模式和状态模式都是行为型设计模式，它们都关注于对象的状态变化。它们的区别在于：

• 策略设计模式关注于算法的不同实现，而状态模式关注于对象的不同状态。
• 在策略设计模式中，不同的算法是可以自由切换的，而在状态模式中，对象的不同状态是有限的，且状态之间是有转换关系的。
• 在策略设计模式中，客户端需要了解不同的策略类并选择合适的策略类，而在状态模式中，客户端不需要了解不同的状态，只需要调用对象的方法即可。

六、策略设计模式的应用实例

6.1 实例说明

假设我们正在开发一个计算器程序，该程序可以根据用户的选择进行加、减、乘、除四种运算。为了实现这个功能，我们可以使用策略设计模式，将每种运算封装在不同的策略类中。

6.2 代码实现

在我们将通过代码实现上述的计算器程序，首先我们需要定义一个策略接口，用于声明算法方法：

public interface Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2);
}

接着，我们需要实现具体的策略类，这些类分别对应加、减、乘、除四种运算：

public class OperationAdd implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 + num2;
   }
}

public class OperationSubtract implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 - num2;
   }
}

public class OperationMultiply implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 * num2;
   }
}

public class OperationDivide implements Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 / num2;
   }
}

接下来，我们需要定义一个环境类，用于持有具体的策略类，并调用其方法：

public class Context {
   private Strategy strategy;

   public Context(Strategy strategy){
      this.strategy = strategy;
   }

   public int executeStrategy(int num1, intnum2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

最后，我们可以在客户端代码中使用上述的类来完成计算器的功能：

public static void main(String[] args) {
   Context context = new Context(new OperationAdd());        
   System.out.println("10 + 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));

   context = new Context(new OperationSubtract());       
   System.out.println("10 - 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));

   context = new Context(new OperationMultiply());        
   System.out.println("10 * 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));

   context = new Context(new OperationDivide());        
   System.out.println("10 / 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));
}

输出结果为：

10 + 5 = 15
10 - 5 = 5
10 * 5 = 50
10 / 5 = 2

通过上述代码，我们可以看到策略设计模式可以非常方便地实现不同算法的切换，并且代码结构更加清晰易懂。

七、扩展点

7.1 策略类的动态切换

在上述的示例代码中，我们需要在客户端代码中手动创建不同的策略类对象，并将其传递给环境类的构造方法。如果我们希望在程序运行过程中动态切换策略类，就需要对代码进行修改。

一种解决方案是使用反射机制，通过类名动态创建策略类对象。具体实现可以参考以下代码：

public class Context {
   private Strategy strategy;

   public Context(String className) {
      try {
         Class<?> clazz = Class.forName(className);
         this.strategy = (Strategy) clazz.newInstance();
      } catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException e) {
         e.printStackTrace();
      }
   }

   public int executeStrategy(int num1, intnum2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

在上述代码中，我们新增了一个构造方法，该方法接受一个字符串类型的参数，用于指定具体的策略类。在方法内部，我们使用了反射机制来创建策略类对象，并将其赋值给环境类的成员变量。这样，我们就可以在程序运行过程中动态切换策略类了。

7.2 策略类的缓存

在上述的示例代码中，每次创建新的策略类对象都需要消耗一定的时间和内存。如果我们需要多次调用同一个策略类，就会造成资源的浪费。

一种解决方案是使用策略类的缓存，将已经创建的策略类对象缓存起来，避免重复创建。具体实现可以参考以下代码：

public class Context {
   private Map<String, Strategy> strategyMap = new HashMap<>();

   public Context(String className) {
      if (strategyMap.containsKey(className)) {
         this.strategy = strategyMap.get(className);
      } else {
         try {
            Class<?> clazz = Class.forName(className);
            this.strategy = (Strategy) clazz.newInstance();
            strategyMap.put(className, strategy);
         } catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
         }
      }
   }

   public int executeStrategy(int num1, intnum2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

在上述代码中，我们使用了一个HashMap来缓存已经创建的策略类对象。在创建策略类对象时，首先检查缓存中是否已经存在该类对象，如果存在则直接返回，否则才创建新的对象，并将其添加到缓存中。这样，我们就可以避免重复创建策略类对象，提高了程序的性能。

八、总结

策略设计模式是一种非常实用的设计模式，它可以让我们在程序运行过程中动态地切换算法，从而提高程序的灵活性和可扩展性。通过策略设计模式，我们可以将算法的实现与客户端代码解耦，从而使代码更加清晰易懂。

在实现策略设计模式时，我们需要定义一个策略接口，用于声明算法方法，然后实现具体的策略类，这些类分别对应不同的算法实现。接着，我们需要定义一个环境类，用于持有具体的策略类，并调用其方法。在客户端代码中，我们可以创建不同的策略类对象，并将其传递给环境类，从而实现不同算法的切换。

扩展方面，我们可以通过策略类的动态切换和缓存等方式，进一步提高程序的灵活性和性能。

总的来说，策略设计模式是一种非常实用的设计模式，可以帮助我们更好地组织代码，提高程序的可维护性和可扩展性。在实际开发中，我们应该根据具体的需求选择合适的策略设计模式，并注意代码的可读性和可维护性。