设计模式 - 行为型 - 备忘录模式（Memento Pattern）

备忘录模式（Memento Pattern）是一种行为型设计模式，其核心是在不破坏对象封装性的前提下，捕获并保存对象的内部状态，以便后续恢复。该模式通过分离状态存储与恢复逻辑，实现对象状态的灵活管理，广泛应用于撤销/重做、事务回滚、游戏存档等场景。以下是系统性解析：

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一、核心定义与设计目标

1. 定义
   备忘录模式通过引入**备忘录对象（Memento）**存储原发器（Originator）的内部状态，由管理者（Caretaker）负责保存和传递备忘录，从而实现状态的保存与恢复。原发器仅通过自身方法修改状态，确保封装性不被破坏。例如，文本编辑器的撤销操作通过保存编辑历史状态实现。

2. 设计目标

   • 状态隔离：将状态保存逻辑与原发器解耦，避免直接暴露内部细节。
   • 可回溯性：支持对象回滚到任意历史状态。
   • 低侵入性：新增状态管理功能无需修改原发器核心逻辑。

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二、模式结构与角色划分

1. 核心角色

   • Originator（原发器）：创建备忘录以保存当前状态，并从备忘录恢复历史状态。
   • Memento（备忘录）：存储原发器的内部状态，仅允许原发器访问其数据（如私有构造函数）。
   • Caretaker（管理者）：保存和管理备忘录集合，但不修改其内容。

2. UML类图示例

+-------------------+           +-------------------+
|   Originator       |<|------|>| Memento           |
| +createMemento()   |          | -state: Object    |
| +restore(memento)  |          +-------------------+
+-------------------+ 
       ▲
       |
+-------------------+
|   Caretaker       |
| -mementos: List   |
| +add(memento)     |
| +get(index)       |
+-------------------+

3. 交互流程
   • 保存状态：原发器调用 createMemento() 生成备忘录对象，交由管理者存储。
   • 恢复状态：原发器从管理者获取备忘录，调用 restore() 方法还原状态。

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三、优缺点分析

优点

1. 封装性保护：备忘录仅向原发器开放内部状态，避免外部类直接访问敏感数据。
2. 状态管理简化：通过管理者统一维护历史状态，降低原发器复杂度。
3. 扩展性强：新增状态类型或恢复策略只需扩展备忘录和管理者。

缺点

1. 资源消耗：频繁保存大对象状态可能导致内存占用过高。
2. 性能开销：序列化/反序列化或深度拷贝状态时可能影响效率。

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四、适用场景

1. 撤销/重做功能
   • 文本编辑器、图形绘制工具的历史操作回退。
2. 事务回滚机制
   • 数据库操作异常时恢复至事务开始前的状态。
3. 游戏存档与复活点
   • 保存玩家进度或角色状态，支持断点续玩。
4. 系统快照与故障恢复
   • 服务器配置备份，异常时快速还原。

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五、实现示例（Java）

以文本编辑器撤销功能为例：

// 1. 备忘录类（封装编辑器状态）
class EditorMemento {
    private final String content;
    public EditorMemento(String content) { this.content = content; }
    public String getContent() { return content; }
}

// 2. 原发器：文本编辑器
class TextEditor {
    private String content;
    public void write(String text) { content += text; }
    public EditorMemento save() { return new EditorMemento(content); }
    public void restore(EditorMemento memento) { content = memento.getContent(); }
}

// 3. 管理者：维护历史状态
class HistoryManager {
    private List<EditorMemento> mementos = new ArrayList<>();
    public void push(EditorMemento memento) { mementos.add(memento); }
    public EditorMemento pop() { return mementos.remove(mementos.size() - 1); }
}

// 客户端调用
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        TextEditor editor = new TextEditor();
        HistoryManager history = new HistoryManager();
        
        editor.write("Hello"); 
        history.push(editor.save());  // 保存状态1
        editor.write(" World");
        history.push(editor.save());   // 保存状态2
        
        editor.restore(history.pop()); // 撤销到状态1
    }
}

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六、实际应用案例

1. Java对象序列化
   • 通过 Serializable 接口实现对象状态的持久化存储与恢复。
2. Spring事务管理
   • 使用 TransactionTemplate 保存数据库操作中间状态，支持回滚。
3. 游戏引擎状态快照
   • Unity引擎的 PlayerPrefs 机制保存玩家数据。

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七、与其他模式的对比

模式	核心差异
命令模式	命令模式封装操作请求，备忘录模式封装对象状态。
原型模式	原型模式通过克隆生成新对象，备忘录模式保存和恢复现有对象状态。
状态模式	状态模式管理对象行为随状态的变化，备忘录模式管理状态本身的存储。

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八、总结

备忘录模式通过状态封装与历史回溯机制，为需要保存和恢复对象状态的场景提供了标准化解决方案。其核心价值在于平衡了封装性与灵活性，但需警惕资源消耗与性能瓶颈。实际开发中，可通过以下策略优化：

1. 增量备份：仅保存变化的部分状态。
2. 懒加载：延迟加载非关键状态数据。
3. 结合享元模式：共享重复状态以减少内存占用。

对于需要高频率状态管理的系统（如实时编辑器或游戏引擎），备忘录模式是提升用户体验与系统健壮性的关键设计手段。