艾伟:C# Design Patterns (2) Strategy 狼人:

Strategy Pattern (策略模式)

所谓 Strategy Pattern 的精神,就是将策略 (算法) 封装为一个对象,易于相互替换,如同 USB 设备一样可即插即用;而不是将策略、具体的算法和行为,硬编码在某个类或客户程序中,导至事后的修改和扩展不易。

若有多种「策略」,就将这些个策略,和这些策略的算法、行为,封装在各个类中,并让这些类,去继承某个公用的抽象类或接口。接着在客户程序中,就可动态引用,且易于更换这些不同的「策略」,不会因为日后添加、修改了某一个「策略」,就得重新修改、编译多处的源代码。此即为一种「封装变化点」的做法,将常会变化的部分进行抽象、定义为接口,亦即实现「面向接口编程」的概念。且客户程序 (调用者) 只须知道接口的外部定义即可,具体的实现则无须理会。

The Strategy Pattern defines a family of algorithms, encapsulates each one, and makes them interchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from clients that use it.
                                 - Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software

Strategy Pattern 适用的情景:

  • 应用中的许多类,在解决某些问题时很相似,但实现的行为有所差异。比如:不同功能的程序,都可能要用到「排序」算法。
  • 根据运行环境的不同,需要采用不同的算法。比如:在手机、PC 计算机上,因硬件等级不同,必须采用不同的排序算法。
  • 针对给定的目的,存在多种不同的算法,且我们可用代码实现算法选择的标准。
  • 需要封装复杂的数据结构。比如:特殊的加密算法,客户程序仅需要知道调用的方式即可。
  • 同上,算法中的罗辑和使用的数据,应该与客户程序隔离时。


图 1 这张为很多书籍和文档都曾出现过的 Strategy 经典 Class Diagram



01_Shell.aspx.cs

using System;
using com.cnblogs.WizardWu.sample01;

//客户程序
public partial class _01_Shell : System.Web.UI.Page
{    
    
protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        
//执行对象
        Context context;

        context = new Context(new ConcreteStrategyA());
        Response.Write(context.ContextInterface() 
+ 
);

        context = new Context(new ConcreteStrategyB());
        Response.Write(context.ContextInterface() 
+ 
);

        context = new Context(new ConcreteStrategyC());
        Response.Write(context.ContextInterface() 
+ 
);
    }
}

namespace com.cnblogs.WizardWu.sample01
{
    
//抽象算法类 (亦可用接口)。定义了所有策略的公共接口
    abstract class Strategy
    {
        
//算法需要完成的功能
        public abstract string AlgorithmInterface();
    }

    //具体算法类A
    class ConcreteStrategyA : Strategy
    {
        
//算法A实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            
return 算法A实现;
        }
    }

    //具体算法类B
    class ConcreteStrategyB : Strategy
    {
        
//算法B实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            
return 算法B实现;
        }
    }

    //具体算法类C
    class ConcreteStrategyC : Strategy
    {
        
//算法C实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            
return 算法C实现;
        }
    }

    //执行对象。需要采用可替换策略执行的对象
    class Context
    {
        Strategy strategy;

        public Context(Strategy strategy)        //构造函数
        {
            
this.strategy = strategy;
        }

        //执行对象依赖于策略对象的操作方法
        public string ContextInterface()
        {
            
return strategy.AlgorithmInterface();
        }
    }

// end of namespace

/* 

结行结果:

算法A实现
算法B实现
算法C实现

*/

上方的「Shell (壳)」示例中,最下方的 Context 类,为一种维护上下文信息的类,让 Strategy 类 (或 IStrategy 接口) 及其子类对象的算法,能运行在这个上下文里。

下方的图 2 及其代码,为此 Shell 示例和 Strategy Pattern 的一个具体实现示例。我们知道,Linux 和 Windows 操作系统,在文本文件的「换行符」是不同的,前者为「\n」,后者为「\r\n」。若我们要设计一个文本编辑工具,或简易的编程工具,必须要能随时转换这两种不同操作系统的换行符 (假设 .NET 已可执行于 Linux 上)。此时我们即不该在客户程序 (如:ASP.NET 页面的 Code-Behind) 中用硬编码 switch…case 的 hard coding 寫法,而应如下方示例,以 Strategy Pattern 实现此一功能,并将这些算法 (策略) 各自封装在各个子类中 (如 ASP.NET 项目的 App_Code 文件夹中的类,或其他类库项目中的类),使他们易于组合、更换,便于日后的维护和修改。


图 2 示例 02_Strategy.aspx.cs 的 Class Diagram。此为 Sybase PowerDesigner 的「Reverse Engineer」功能,所自动产生的图



02_Strategy.aspx.cs

using System;
using com.cnblogs.WizardWu.sample02;

//客户程序
public partial class _02_Strategy : System.Web.UI.Page
{
    String strLinuxText 
= 操作系统 \n 红帽 Linux  创建的 \n 文本文件;
    String strWindowsText 
= 操作系统 \r\n 微软 Windows 创建的 \r\n 文本文件;

    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {        
    }
    
protected void DropDownList1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
    {
        
switch(DropDownList1.SelectedValue)
        {
            
case Linux:
                Label1.Text 
= ContextCharChange.contextInterface(new LinuxStrategy(strWindowsText));
                
//Label1.Text = strWindowsText.Replace(“\r\n”, “\n”);   //未用任何 Pattern 的写法
                break;
            
case Windows:
                Label1.Text 
= ContextCharChange.contextInterface(new WindowsStrategy(strLinuxText));
                
//Label1.Text = strLinuxText.Replace(“\n”, “\r\n”);   //未用任何 Pattern 的写法
                break;
            
default:
                Label1.Text 
= String.Empty;
                
break;
        }
    }
}

namespace com.cnblogs.WizardWu.sample02
{
    
//抽象算法类 (亦可用接口)。定义了所有策略的公共接口
    public abstract class TextStrategy
    {
        
protected String text;

        public TextStrategy(String text)           //构造函数
        {
            
this.text = text;
        }

        //算法需要完成的功能
        public abstract String replaceChar();
    }

    //具体算法类A
    public class LinuxStrategy : TextStrategy
    {
        
public LinuxStrategy(String text)          //构造函数
            : base(text)
        {
        }

        //算法A实现方法
        public override String replaceChar()
        {
            text 
= text.Replace(\r\n\n);
            
return text;
        }
    }

    //具体算法类B
    public class WindowsStrategy : TextStrategy
    {
        
public WindowsStrategy(String text)     //构造函数
            : base(text)
        {
        }

        //算法B实现方法
        public override String replaceChar()
        {
            text 
= text.Replace(\n\r\n);
            
return text;
        }
    }

    //执行对象。需要采用可替换策略执行的对象
    public class ContextCharChange
    {
        
//执行对象依赖于策略对象的操作方法
        public static String contextInterface(TextStrategy strategy)
        {
            
return strategy.replaceChar();
        }
    }

// end of namespace


图 3 示例 02_Strategy.aspx.cs 的执行结果

若未用任何 Pattern 的客户程序,可能就如下方的硬编码,将「换行符」和算法,直接写死在 ASP.NET 的 Code-Behind 里,导至事后的维护和扩展不易。 



hard coding

protected void DropDownList1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
{
    
switch(DropDownList1.SelectedValue)
    {
        
case Linux:
            Label1.Text 
= strWindowsText.Replace(“\r\n\n);
            
break;
        
case Windows:
            Label1.Text 
= strLinuxText.Replace(\n\r\n);
            
break;
        
default:
            Label1.Text 
= String.Empty;
            
break;
    }
}

此外,若用 Simple Factory Pattern (简单工厂模式) 虽然也能解决上述硬编码的问题,但就如我们前一篇帖子「C# Design Patterns (1) – Factory Method」曾经提过的缺点,日后若要添加或修改功能时,仍要修改、重新编译 server-side 的「工厂类」。所以在此种情况下,用 Strategy 会是比 Simple Factory 更好的选择。

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Strategy Pattern 的优点:

  • 简化了单元测试,因为每个算法都有自己的类,可以通过自己的接口单独做测试。
  • 避免程序中使用多重条件转移语句,使系统更灵活,并易于扩展。
  • 高内聚、低偶合。

Strategy Pattern 的缺点:

  • 因为每个具体策略都会产生一个新类,所以会增加需要维护的类的数量。
  • 选择所用具体实现的职责由客户程序承担,并转给 Context 对象,并没有解除客户端需要选择判断的压力。

若要减轻客户端压力,或程序有特殊考量,还可把 Strategy 与 Simple Factory 两种 Pattern 结合,即可将选择具体算法的职责改由 Context 来承担,亦即将具体的算法,和客户程序做出隔离。有关这方面的概念和示例,可参考伍迷的「大话设计模式」一书 [10]。

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此外,从行为上来看,State Pattern 和 Strategy Pattern 有点类似,但前者可看作后者的动态版本。

  • State:看当前是什么状态,就采取什么动作。
  • Strategy:看需求及情景为何,采用适当的策略。

State 中,当对象内部的状态改变时,它可切换到一组不同的操作,从而改变对象的行为,例如 GoF 示例中的 TCP 连接;而 Strategy 是直接采用适当的策略 (算法),如本帖示例中,不同的操作系统,实现换行的具体算法类 LinuxStrategy 与 WindowsStrategy。

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