设计模式快速入门——行为型模式之备忘录模式（Java）

这篇系列文章将按照以下结构逐一介绍不同种类的设计模式：

1. 创建型模式

• 创建型模式用于回答：“如何更好地创建对象？” 这些模式的主要目标是将对象的创建与使用分开，这部分会探讨以下五种创建型模式：单例模式、原型模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式。

2. 结构型模式

• 结构型模式关注如何以某种方式组合类或对象来构建更大的系统结构。这部分将探讨七种结构型模式：代理模式、适配器模式、桥接模式、装饰模式、外观模式、享元模式、组合模式。

3. 行为型模式

• 行为型模式涉及类和对象之间的协作，以完成单个对象无法独立完成的任务，并分配职责。这部分将介绍十一种行为型模式：模板方法模式、策略模式、命令模式、责任链模式、状态模式、观察者模式、中介者模式、迭代器模式、访问者模式、备忘录模式和解释器模式。

通过这一系列文章，深入了解这些不同类型的设计模式，以及它们如何在软件开发中发挥关键作用。

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前言

在软件开发中，设计模式是一种被广泛接受的可复用解决方案，用于解决在软件设计中常见的问题。设计模式为开发人员提供了一种通用的指导，帮助他们设计和实施高质量、易维护、可扩展的软件系统。

本文将快速入门行为型模设计模式中的备忘录模式。

一、备忘录模式简介

1.1 什么是备忘录模式？

备忘录模式是一种行为型设计模式，旨在允许对象在不暴露其内部状态的情况下捕获和恢复其内部状态。这种模式主要用于将对象的状态保存到一个称为备忘录的对象中，以便在稍后的时间点将其恢复。

1.2 为什么需要备忘录模式（优点）

备忘录模式有一些优点，使得它在特定情境下非常有用。

• 状态保存与恢复的分离：备忘录模式通过将状态保存在备忘录对象中，实现了状态与发起人对象的分离。发起人对象不直接处理或暴露其状态，这有助于维持对象的封装性。
• 支持撤销操作：备忘录模式使得系统可以轻松支持撤销（Undo）操作。通过保存对象的历史状态，可以在需要时将对象还原到之前的状态，从而实现撤销操作。
• 简化发起人类：发起人对象通常需要维护和管理大量的状态信息。使用备忘录模式可以将状态保存的逻辑封装到备忘录对象中，使得发起人类的代码更加简洁和可维护。
• 支持多次撤销：通过保存多个备忘录对象，可以实现多次撤销操作。用户可以选择将对象还原到不同的历史状态，而不仅仅是上一步。

1.3 备忘录模式的不足

备忘录模式虽然有其优点，但也存在一些不足之处：

• 资源消耗：如果备忘录对象包含大量的状态信息，或者需要频繁保存状态，可能会导致大量的资源消耗。这对于内存敏感的应用程序可能是一个问题。
• 复杂性增加：在一些情况下，为了实现备忘录模式，需要在发起人类中增加额外的方法和管理备忘录对象的逻辑，这可能会增加代码的复杂性。
• 对性能的影响：在某些情况下，频繁创建和管理备忘录对象可能对系统的性能产生一定的影响。特别是在需要保存大量状态信息的情况下，可能导致性能下降。
• 可能导致对象状态泄露：如果备忘录对象的访问级别不当，可能导致对象的内部状态被外部对象访问，破坏了封装性。
• 不适用于所有场景：备忘录模式主要用于需要保存和恢复对象状态的情景。对于不需要这种功能的应用程序，引入备忘录模式可能会显得过于繁琐。
• 潜在的一致性问题：如果备忘录模式的实现不够谨慎，可能会导致一致性问题。例如，在发起人对象状态发生变化时，没有及时创建备忘录对象，可能导致备忘录对象中保存的状态信息不准确。

1.4 备忘录模式的结构

以下是备忘录模式的基本结构：

• 发起人（Originator）：这是需要被保存和恢复状态的对象。它包含创建备忘录和从备忘录中恢复状态的方法。发起人的状态可能会发生变化，而备忘录对象负责保存这些状态。

• 备忘录（Memento）：这是用于存储发起人对象状态的对象。备忘录只能被发起人对象访问，其目的是防止其他对象直接访问发起人的状态。

• 负责人（Caretaker）：负责人对象负责保存备忘录对象，但不对备忘录的内容进行操作或检查。它只是存储和检索备忘录，以便在需要时将状态还原到之前的状态。

使用备忘录模式时，发起人对象通过创建备忘录对象来保存其状态，然后可以将备忘录交给负责人对象进行存储。稍后，如果需要恢复状态，发起人可以从负责人那里获取相应的备忘录，并从中恢复其状态。这使得发起人对象的状态可以轻松地进行历史记录和还原。

1.5 备忘录模式的应用场景

备忘录模式适用于以下场景：

• 需要实现撤销机制：如果你的应用程序需要支持用户撤销操作，即用户可以在某个操作后回到先前的状态，备忘录模式是一个有效的解决方案。
• 需要实现历史记录：当你需要记录对象的历史状态，以便在需要时能够查看或还原到先前的状态时，备忘录模式是一个有用的模式。例如，文档编辑器可以使用备忘录来记录文档的不同版本。
• 状态保存与恢复的分离：当你希望将状态的保存和恢复逻辑与对象的核心业务逻辑分离时，备忘录模式可以帮助你实现这种分离，从而保持对象的封装性。
• 需要实现快照机制：在某些情况下，你可能需要在不破坏对象封装的情况下获取对象的快照。备忘录模式可以用于创建对象状态的快照。
• 对性能要求不是特别高：虽然备忘录模式可以提供状态的保存和还原，但在频繁保存和恢复大量状态信息时可能会影响性能。因此，如果你的应用对性能要求非常高，需要谨慎使用备忘录模式。
• 复杂的业务逻辑：当对象的状态保存和恢复逻辑变得复杂时，使用备忘录模式可以将这些复杂性封装到备忘录对象中，使得发起人对象的代码更加清晰和易于维护。

总体而言，备忘录模式适用于需要保存和还原对象状态的场景，特别是在需要支持撤销、历史记录或快照功能时。在设计时，要考虑应用程序的需求和性能要求，确保备忘录模式是解决问题的一种合适选择。
以下是一些可能的应用场景的举例：

1. 文本编辑器的撤销功能： 一个文本编辑器可以使用备忘录模式来实现撤销和重做功能。每次用户进行编辑操作时，可以创建一个备忘录对象来保存当前文档状态，以便用户可以撤销到先前的状态。

2. 图形编辑器的历史记录： 图形编辑器可以使用备忘录模式来记录对象的位置、颜色等属性的历史状态。这样，用户可以随时回到之前的编辑状态。

3. 数据库事务管理： 在数据库系统中，备忘录模式可以用于实现事务管理。事务的开始和提交可以被看作是状态的保存和还原，以保持数据库的一致性。

4. 游戏状态的保存： 在游戏开发中，备忘录模式可以用于保存游戏状态，以便在需要时可以还原到先前的游戏状态，例如重新开始关卡或回放游戏。

5. 命令模式的撤销机制： 在与命令模式结合使用时，备忘录模式可以用于实现撤销机制。每个命令执行时都可以创建一个备忘录对象，用于保存执行前的状态，以便在需要时可以撤销命令。

6. 配置管理： 在应用程序中，备忘录模式可以用于保存和还原配置信息。例如，用户在应用程序中进行的设置更改可以通过备忘录模式保存，以便在下次启动应用程序时可以还原到上一次的配置。

二、访问者模式的示例

在奶茶店这个场景中，我们可以考虑一个奶茶订单系统，其中顾客可以定制自己的奶茶，包括选择口味、加糖量、加奶等。备忘录模式可以用于保存顾客订单的历史状态，以便在需要时进行恢复。

// 奶茶类，表示顾客的奶茶订单
class MilkTea {
    private String flavor;
    private int sugarLevel;
    private int milkLevel;

    public MilkTea(String flavor, int sugarLevel, int milkLevel) {
        this.flavor = flavor;
        this.sugarLevel = sugarLevel;
        this.milkLevel = milkLevel;
    }

    public String getFlavor() {
        return flavor;
    }

    public int getSugarLevel() {
        return sugarLevel;
    }

    public int getMilkLevel() {
        return milkLevel;
    }

    // 创建备忘录，保存当前状态
    public Memento save() {
        return new Memento(flavor, sugarLevel, milkLevel);
    }

    // 恢复到备忘录中保存的状态
    public void restore(Memento memento) {
        this.flavor = memento.getFlavor();
        this.sugarLevel = memento.getSugarLevel();
        this.milkLevel = memento.getMilkLevel();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return flavor + "奶茶{" +
                "加糖=" + sugarLevel +
                ", 加奶=" + milkLevel +
                '}';
    }
}

// 备忘录类，用于保存奶茶的状态
class Memento {
    private String flavor;
    private int sugarLevel;
    private int milkLevel;

    public Memento(String flavor, int sugarLevel, int milkLevel) {
        this.flavor = flavor;
        this.sugarLevel = sugarLevel;
        this.milkLevel = milkLevel;
    }

    public String getFlavor() {
        return flavor;
    }

    public int getSugarLevel() {
        return sugarLevel;
    }

    public int getMilkLevel() {
        return milkLevel;
    }
}

// 负责人类，用于管理备忘录
class Caretaker {
    private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();

    public void addMemento(Memento memento) {
        mementos.add(memento);
    }

    public Memento getMemento(int index) {
        return mementos.get(index);
    }
}

// 客户端类，演示如何使用备忘录模式
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建奶茶
        MilkTea myMilkTea = new MilkTea("珍珠", 50, 30);
        System.out.println("初始奶茶：" + myMilkTea);

        // 创建备忘录管理者
        Caretaker caretaker = new Caretaker();

        // 保存当前奶茶状态
        caretaker.addMemento(myMilkTea.save());

        // 修改奶茶状态
        myMilkTea = new MilkTea("草莓", 70, 50);
        System.out.println("修改后的奶茶：" + myMilkTea);
        // 再次保存当前奶茶状态
        caretaker.addMemento(myMilkTea.save());

        // 修改奶茶状态
        myMilkTea = new MilkTea("椰果", 100, 100);
        System.out.println("修改后的奶茶：" + myMilkTea);
        // 再次保存当前奶茶状态
        caretaker.addMemento(myMilkTea.save());

        // 恢复到第一次保存的状态
        myMilkTea.restore(caretaker.getMemento(0));
        System.out.println("恢复到第一次保存的奶茶：" + myMilkTea);
    }
}

在这个示例中，MilkTea 类表示奶茶，Memento 类表示备忘录，Caretaker 类负责管理备忘录。客户端类 Client 演示了如何创建奶茶对象、保存状态、修改状态以及恢复到之前的状态。

运行结果：

初始奶茶：珍珠奶茶{加糖=50, 加奶=30}
修改后的奶茶：草莓奶茶{加糖=70, 加奶=50}
修改后的奶茶：椰果奶茶{加糖=100, 加奶=100}
恢复到第一次保存的奶茶：珍珠奶茶{加糖=50, 加奶=30}

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总结

备忘录模式提供了一种有效的机制，使得对象状态的保存和恢复变得灵活而可控，尤其在需要处理撤销操作或记录对象历史状态的场景中，备忘录模式非常有价值。