设计模式-备忘录模式详解

原创于 2025-09-24 10:49:19 发布 · 447 阅读

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#备忘录模式 #设计模式

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备忘录模式详解

模式简介

定义

备忘录模式（Memento Pattern）是一种行为型设计模式，它允许在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后可以将该对象恢复到原先保存的状态。

核心思想

状态保存：在不破坏对象封装性的前提下，保存对象的内部状态
状态恢复：在需要时能够将对象恢复到之前保存的状态
历史管理：提供管理多个历史状态的能力

模式结构

Originator（发起人）：需要保存状态的对象
Memento（备忘录）：存储发起人内部状态的对象
Caretaker（管理者）：负责保存和恢复备忘录的对象

核心流程

基本流程图

详细流程步骤

1. 状态保存流程

2. 状态恢复流程

代码示例流程

// 1. 创建原始对象
Originator originator = new Originator();
originator.setState("State1");

// 2. 保存状态
Memento memento = originator.createMemento();
Caretaker caretaker = new Caretaker();
caretaker.setMemento(memento);

// 3. 改变状态
originator.setState("State2");

// 4. 恢复状态
originator.restoreMemento(caretaker.getMemento());

重难点分析

重点分析

1. 封装性保护

public class Originator {
    private String state;
  
    // 只有Originator能创建和访问Memento的内部状态
    public Memento createMemento() {
        return new Memento(this.state);
    }
  
    public void restoreMemento(Memento memento) {
        this.state = memento.getState();
    }
}

// Memento类设计为包私有或内部类
class Memento {
    private final String state;
  
    Memento(String state) {
        this.state = state;
    }
  
    String getState() {
        return state;
    }
}

2. 状态管理策略

public class Caretaker {
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();
    private int currentIndex = -1;
  
    // 保存状态
    public void saveMemento(Memento memento) {
        // 删除当前位置之后的所有状态
        mementos = mementos.subList(0, currentIndex + 1);
        mementos.add(memento);
        currentIndex++;
    }
  
    // 撤销
    public Memento undo() {
        if (currentIndex > 0) {
            currentIndex--;
            return mementos.get(currentIndex);
        }
        return null;
    }
  
    // 重做
    public Memento redo() {
        if (currentIndex < mementos.size() - 1) {
            currentIndex++;
            return mementos.get(currentIndex);
        }
        return null;
    }
}

难点分析

1. 内存管理

public class Caretaker {
    private static final int MAX_MEMENTOS = 50;
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();
  
    public void saveMemento(Memento memento) {
        mementos.add(memento);
      
        // 限制历史记录数量，防止内存溢出
        if (mementos.size() > MAX_MEMENTOS) {
            mementos.remove(0);
        }
    }
}

2. 深拷贝与浅拷贝

public class Originator {
    private List<String> stateList;
  
    public Memento createMemento() {
        // 深拷贝，避免状态被意外修改
        List<String> copyList = new ArrayList<>(stateList);
        return new Memento(copyList);
    }
  
    public void restoreMemento(Memento memento) {
        // 深拷贝恢复
        this.stateList = new ArrayList<>(memento.getStateList());
    }
}

3. 并发安全

public class Caretaker {
    private final List<Memento> mementos = Collections.synchronizedList(new ArrayList<>());
    private volatile int currentIndex = -1;
  
    public synchronized void saveMemento(Memento memento) {
        mementos.add(memento);
        currentIndex++;
    }
  
    public synchronized Memento undo() {
        if (currentIndex > 0) {
            currentIndex--;
            return mementos.get(currentIndex);
        }
        return null;
    }
}

Spring中的源码分析

1. 事务回滚机制

核心类：TransactionSynchronizationManager

public abstract class TransactionSynchronizationManager {
    private static final ThreadLocal<Set<TransactionSynchronization>> synchronizations = 
        new NamedThreadLocal<>("Transaction synchronizations");
  
    // 注册同步回调，类似备忘录模式的状态保存
    public static void registerSynchronization(TransactionSynchronization synchronization) {
        Set<TransactionSynchronization> synchs = synchronizations.get();
        if (synchs == null) {
            synchs = new LinkedHashSet<>();
            synchronizations.set(synchs);
        }
        synchs.add(synchronization);
    }
}

事务状态保存与恢复

public class DataSourceTransactionManager extends AbstractPlatformTransactionManager {
  
    @Override
    protected void doBegin(Object transaction, TransactionDefinition definition) {
        DataSourceTransactionObject txObject = (DataSourceTransactionObject) transaction;
        Connection con = null;
      
        try {
            // 保存当前状态（类似Memento）
            if (txObject.getConnectionHolder() == null) {
                Connection newCon = obtainDataSource().getConnection();
                txObject.setConnectionHolder(new ConnectionHolder(newCon), true);
            }
          
            // 设置事务隔离级别
            prepareTransactionalConnection(con, definition);
          
        } catch (Throwable ex) {
            // 状态恢复（类似restoreMemento）
            if (txObject.isNewConnectionHolder()) {
                DataSourceUtils.releaseConnection(con, getDataSource());
            }
            throw new CannotCreateTransactionException("Could not open JDBC Connection for transaction", ex);
        }
    }
}

2. 配置属性管理

核心类：ConfigurationPropertiesBindingPostProcessor

public class ConfigurationPropertiesBindingPostProcessor implements BeanPostProcessor {
  
    @Override
    public Object postProcessBeforeInitialization(Object bean, String beanName) {
        // 保存原始配置状态
        ConfigurationProperties annotation = AnnotationUtils.findAnnotation(
            bean.getClass(), ConfigurationProperties.class);
      
        if (annotation != null) {
            // 创建配置备忘录
            ConfigurationPropertiesState state = createConfigurationState(bean);
            // 绑定新配置
            bindConfigurationProperties(bean, state);
        }
      
        return bean;
    }
  
    // 配置状态保存（备忘录模式）
    private ConfigurationPropertiesState createConfigurationState(Object bean) {
        return new ConfigurationPropertiesState(bean);
    }
}

3. 会话管理

核心类：HttpSession

public class StandardSession implements HttpSession, HttpSessionActivationListener {
  
    // 会话状态保存
    public void setAttribute(String name, Object value) {
        // 保存属性到会话中
        if (value == null) {
            removeAttribute(name);
        } else {
            attributes.put(name, value);
            // 标记会话为已修改（状态变更）
            if (isValid) {
                manager.touch(this);
            }
        }
    }
  
    // 会话状态恢复
    public Object getAttribute(String name) {
        if (!isValid) {
            throw new IllegalStateException("Session has been invalidated");
        }
        return attributes.get(name);
    }
}

4. 缓存状态管理

核心类：ConcurrentMapCache

public class ConcurrentMapCache extends AbstractValueAdaptingCache {
    private final ConcurrentMap<Object, Object> store;
  
    @Override
    protected Object lookup(Object key) {
        // 从缓存中恢复状态
        return this.store.get(key);
    }
  
    @Override
    public void put(Object key, Object value) {
        // 保存状态到缓存
        this.store.put(key, toStoreValue(value));
    }
  
    @Override
    public ValueWrapper putIfAbsent(Object key, Object value) {
        // 条件保存，类似备忘录的条件创建
        Object existing = this.store.putIfAbsent(key, toStoreValue(value));
        return toValueWrapper(existing);
    }
}

具体使用场景

1. 文本编辑器撤销/重做功能

// 文本编辑器备忘录模式实现
public class TextEditor {
    private String content;
    private Caretaker caretaker = new Caretaker();
  
    public void setContent(String content) {
        // 保存当前状态
        caretaker.saveMemento(createMemento());
        this.content = content;
    }
  
    public void undo() {
        Memento memento = caretaker.undo();
        if (memento != null) {
            restoreMemento(memento);
        }
    }
  
    public void redo() {
        Memento memento = caretaker.redo();
        if (memento != null) {
            restoreMemento(memento);
        }
    }
  
    private Memento createMemento() {
        return new Memento(content);
    }
  
    private void restoreMemento(Memento memento) {
        this.content = memento.getContent();
    }
}

2. 游戏存档系统

// 游戏状态备忘录
public class GameState {
    private int level;
    private int score;
    private String playerName;
    private List<String> inventory;
  
    public GameMemento saveGame() {
        return new GameMemento(level, score, playerName, new ArrayList<>(inventory));
    }
  
    public void loadGame(GameMemento memento) {
        this.level = memento.getLevel();
        this.score = memento.getScore();
        this.playerName = memento.getPlayerName();
        this.inventory = new ArrayList<>(memento.getInventory());
    }
}

// 游戏管理器
public class GameManager {
    private GameState currentState;
    private List<GameMemento> saveSlots = new ArrayList<>();
  
    public void saveGame(int slot) {
        if (slot >= 0 && slot < saveSlots.size()) {
            saveSlots.set(slot, currentState.saveGame());
        } else {
            saveSlots.add(currentState.saveGame());
        }
    }
  
    public void loadGame(int slot) {
        if (slot >= 0 && slot < saveSlots.size()) {
            currentState.loadGame(saveSlots.get(slot));
        }
    }
}

3. 数据库事务回滚

// 数据库操作备忘录
public class DatabaseTransaction {
    private List<DatabaseOperation> operations = new ArrayList<>();
    private Map<String, Object> originalValues = new HashMap<>();
  
    public void executeUpdate(String sql, Object... params) {
        // 保存原始值
        saveOriginalValues(sql, params);
        // 执行更新
        operations.add(new UpdateOperation(sql, params));
    }
  
    public void rollback() {
        // 恢复原始状态
        for (int i = operations.size() - 1; i >= 0; i--) {
            operations.get(i).rollback(originalValues);
        }
        operations.clear();
    }
  
    private void saveOriginalValues(String sql, Object... params) {
        // 查询并保存原始值
        String key = generateKey(sql, params);
        Object originalValue = queryOriginalValue(sql, params);
        originalValues.put(key, originalValue);
    }
}

4. 配置管理系统

// 配置备忘录模式
public class ConfigurationManager {
    private Map<String, Object> currentConfig;
    private Stack<ConfigurationMemento> history = new Stack<>();
  
    public void updateConfiguration(String key, Object value) {
        // 保存当前配置状态
        history.push(createMemento());
      
        // 更新配置
        currentConfig.put(key, value);
    }
  
    public void rollbackConfiguration() {
        if (!history.isEmpty()) {
            ConfigurationMemento memento = history.pop();
            restoreMemento(memento);
        }
    }
  
    private ConfigurationMemento createMemento() {
        return new ConfigurationMemento(new HashMap<>(currentConfig));
    }
  
    private void restoreMemento(ConfigurationMemento memento) {
        this.currentConfig = new HashMap<>(memento.getConfig());
    }
}

5. 表单数据恢复

// 表单备忘录模式
public class FormManager {
    private Map<String, Object> formData;
    private List<FormMemento> history = new ArrayList<>();
    private int currentIndex = -1;
  
    public void saveFormState() {
        // 删除当前位置之后的历史
        if (currentIndex < history.size() - 1) {
            history = history.subList(0, currentIndex + 1);
        }
      
        // 保存当前状态
        FormMemento memento = new FormMemento(new HashMap<>(formData));
        history.add(memento);
        currentIndex++;
    }
  
    public void undo() {
        if (currentIndex > 0) {
            currentIndex--;
            restoreFormState(history.get(currentIndex));
        }
    }
  
    public void redo() {
        if (currentIndex < history.size() - 1) {
            currentIndex++;
            restoreFormState(history.get(currentIndex));
        }
    }
  
    private void restoreFormState(FormMemento memento) {
        this.formData = new HashMap<>(memento.getFormData());
        // 更新UI显示
        updateFormUI();
    }
}

面试高频点

1. 基本概念类

Q: 什么是备忘录模式？

A: 备忘录模式是一种行为型设计模式，它允许在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后可以将该对象恢复到原先保存的状态。

Q: 备忘录模式的核心组件有哪些？

Originator（发起人）：需要保存状态的对象
Memento（备忘录）：存储发起人内部状态的对象
Caretaker（管理者）：负责保存和恢复备忘录的对象

2. 设计原理类

Q: 备忘录模式如何保证封装性？

// 通过包私有或内部类限制访问
class Memento {
    private final String state;
  
    // 只有同一个包或内部类能访问
    Memento(String state) {
        this.state = state;
    }
  
    String getState() {
        return state;
    }
}

// Originator控制Memento的创建和访问
public class Originator {
    public Memento createMemento() {
        return new Memento(this.state);
    }
  
    public void restoreMemento(Memento memento) {
        this.state = memento.getState();
    }
}

Q: 备忘录模式与命令模式的区别？

备忘录模式：关注对象状态的保存和恢复
命令模式：关注请求的封装和调用
备忘录模式：状态是数据，Memento存储数据
命令模式：状态是操作，Command封装操作

3. 实现细节类

Q: 如何实现深拷贝的备忘录？

public class Originator {
    private List<String> stateList;
  
    public Memento createMemento() {
        // 深拷贝列表
        List<String> copyList = new ArrayList<>();
        for (String item : stateList) {
            copyList.add(new String(item));
        }
        return new Memento(copyList);
    }
  
    public void restoreMemento(Memento memento) {
        // 深拷贝恢复
        this.stateList = new ArrayList<>();
        for (String item : memento.getStateList()) {
            this.stateList.add(new String(item));
        }
    }
}

Q: 如何管理多个历史状态？

public class Caretaker {
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();
    private int currentIndex = -1;
    private static final int MAX_HISTORY = 50;
  
    public void saveMemento(Memento memento) {
        // 删除当前位置之后的历史
        if (currentIndex < mementos.size() - 1) {
            mementos = mementos.subList(0, currentIndex + 1);
        }
      
        mementos.add(memento);
        currentIndex++;
      
        // 限制历史数量
        if (mementos.size() > MAX_HISTORY) {
            mementos.remove(0);
            currentIndex--;
        }
    }
  
    public Memento undo() {
        if (currentIndex > 0) {
            currentIndex--;
            return mementos.get(currentIndex);
        }
        return null;
    }
  
    public Memento redo() {
        if (currentIndex < mementos.size() - 1) {
            currentIndex++;
            return mementos.get(currentIndex);
        }
        return null;
    }
}

4. 性能优化类

Q: 备忘录模式可能遇到哪些性能问题？

内存占用：大量历史状态占用内存
深拷贝开销：复杂对象的深拷贝成本高
序列化开销：网络传输或持久化时的序列化成本

解决方案：

public class OptimizedCaretaker {
    private static final int MAX_MEMENTOS = 20;
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();
  
    public void saveMemento(Memento memento) {
        // 限制历史数量
        if (mementos.size() >= MAX_MEMENTOS) {
            mementos.remove(0);
        }
        mementos.add(memento);
    }
  
    // 使用序列化进行持久化
    public void saveToFile(String filename) throws IOException {
        try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filename))) {
            out.writeObject(mementos);
        }
    }
  
    public void loadFromFile(String filename) throws IOException, ClassNotFoundException {
        try (ObjectInputStream in = new ObjectInputStream(new FileInputStream(filename))) {
            mementos = (List<Memento>) in.readObject();
        }
    }
}

5. 实际应用类

Q: 在Spring框架中，哪些地方使用了备忘录模式的思想？

事务管理：保存事务开始前的状态，支持回滚
会话管理：HttpSession保存用户状态
配置管理：ConfigurationProperties的状态保存
缓存管理：缓存状态的保存和恢复

Q: 备忘录模式在微服务架构中的应用？

// 分布式状态管理
public class DistributedStateManager {
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
  
    public void saveState(String serviceId, String stateId, Object state) {
        // 保存到Redis
        String key = "state:" + serviceId + ":" + stateId;
        redisTemplate.opsForValue().set(key, state, Duration.ofHours(24));
    }
  
    public Object restoreState(String serviceId, String stateId) {
        String key = "state:" + serviceId + ":" + stateId;
        return redisTemplate.opsForValue().get(key);
    }
  
    // 支持状态版本管理
    public void saveStateWithVersion(String serviceId, String stateId, Object state, int version) {
        String key = "state:" + serviceId + ":" + stateId + ":" + version;
        redisTemplate.opsForValue().set(key, state, Duration.ofDays(7));
    }
}

6. 设计权衡类

Q: 备忘录模式的优缺点？

A:
优点：

保护封装性，不暴露对象内部实现
提供状态恢复机制
支持撤销/重做功能
状态管理集中化

缺点：

内存占用较大
复杂对象的深拷贝成本高
状态管理复杂度增加
可能影响性能

Q: 什么时候不应该使用备忘录模式？

状态变化频繁：每次变化都保存状态会消耗大量内存
对象状态简单：简单状态不需要复杂的状态管理
性能要求极高：状态保存和恢复可能影响性能
状态不可逆：某些状态一旦改变就不应该恢复

使用总结

适用场景总结

1. 必须使用备忘录模式的场景

撤销/重做功能：文本编辑器、图形编辑器
游戏存档系统：保存和加载游戏状态
事务回滚：数据库事务、业务操作回滚
配置管理：系统配置的保存和恢复
表单数据恢复：用户输入数据的恢复

2. 可以考虑使用的场景

状态快照：定期保存系统状态
调试支持：保存调试时的状态信息
版本控制：对象状态的版本管理
备份恢复：重要数据的备份和恢复

最佳实践建议

1. 状态管理策略

// 建议：实现状态管理策略
public interface StateManagementStrategy {
    void saveState(Object state);
    Object restoreState();
    boolean canUndo();
    boolean canRedo();
}

// 内存策略
public class MemoryStateStrategy implements StateManagementStrategy {
    private Stack<Object> stateStack = new Stack<>();
  
    @Override
    public void saveState(Object state) {
        stateStack.push(state);
    }
  
    @Override
    public Object restoreState() {
        return stateStack.pop();
    }
}

// 持久化策略
public class PersistentStateStrategy implements StateManagementStrategy {
    private String filePath;
  
    @Override
    public void saveState(Object state) {
        // 保存到文件
        try (ObjectOutputStream out = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(filePath))) {
            out.writeObject(state);
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to save state", e);
        }
    }
}

2. 性能优化建议

// 建议：实现状态压缩
public class CompressedMemento implements Serializable {
    private byte[] compressedState;
  
    public CompressedMemento(Object state) {
        try {
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(baos);
            oos.writeObject(state);
            oos.close();
          
            // 压缩数据
            this.compressedState = compress(baos.toByteArray());
        } catch (IOException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to compress state", e);
        }
    }
  
    public Object getState() {
        try {
            // 解压缩数据
            byte[] decompressed = decompress(compressedState);
            ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(decompressed);
            ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bais);
            return ois.readObject();
        } catch (IOException | ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException("Failed to decompress state", e);
        }
    }
}

3. 错误处理建议

// 建议：实现错误处理机制
public class RobustCaretaker {
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();
    private int currentIndex = -1;
  
    public void saveMemento(Memento memento) {
        try {
            // 验证备忘录有效性
            if (memento == null) {
                throw new IllegalArgumentException("Memento cannot be null");
            }
          
            // 保存备忘录
            if (currentIndex < mementos.size() - 1) {
                mementos = mementos.subList(0, currentIndex + 1);
            }
            mementos.add(memento);
            currentIndex++;
          
        } catch (Exception e) {
            // 记录错误但不影响程序运行
            System.err.println("Failed to save memento: " + e.getMessage());
        }
    }
  
    public Memento undo() {
        try {
            if (currentIndex > 0) {
                currentIndex--;
                return mementos.get(currentIndex);
            }
        } catch (Exception e) {
            System.err.println("Failed to undo: " + e.getMessage());
        }
        return null;
    }
}

与其他模式的结合

1. 与命令模式结合

// 可撤销的命令
public abstract class UndoableCommand implements Command {
    protected Memento memento;
  
    @Override
    public void execute() {
        // 保存执行前状态
        memento = createMemento();
        doExecute();
    }
  
    public void undo() {
        if (memento != null) {
            restoreMemento(memento);
        }
    }
  
    protected abstract void doExecute();
    protected abstract Memento createMemento();
    protected abstract void restoreMemento(Memento memento);
}

2. 与状态模式结合

// 状态历史管理
public class StateHistoryManager {
    private List<StateMemento> stateHistory = new ArrayList<>();
    private int currentStateIndex = -1;
  
    public void saveState(State currentState) {
        StateMemento memento = new StateMemento(currentState);
        stateHistory.add(memento);
        currentStateIndex++;
    }
  
    public State restorePreviousState() {
        if (currentStateIndex > 0) {
            currentStateIndex--;
            return stateHistory.get(currentStateIndex).getState();
        }
        return null;
    }
}