备忘录模式

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  备忘录模式理解与掌握不难，实现比较灵活，应用场景也比较明确和有限，主要用来是防丢失、撤销和恢复等。话不多说，让我们开始吧。

原理和实现

Captures and externalizes an object’s internal state so that it can be restored later, all without violating encapsulation.

  备忘录模式，也称为快照模式。上面这段从 GOF 的《设计模式》摘录下来的解释翻译为中文就是：在不违背封装原则的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便之后恢复对象为先前的状态。
  这个模式主要表达两个部分。第一部分就是存储副本方便以后恢复，这个好理解。另一部分是，在不违背封装原则的前提下，进行对象的备份和恢复。 在这部分我们需要理清 2 个问题：

• 为什么存储和恢复副本会违背封装原则？
• 备忘录模式是如何做到不违背封装原则的？

  现在假设有道面试题，希望你编写一个小程序，可以接收命令行的输入。用户输入文本时，程序将其追加存储在内存文本中；用户输入“:list”，程序在命令行中输出内存文本的内容；用户输入“:undo”，程序会撤销上一次输入的文本，也就是从内存文本中将上次输入的文本删除掉。如下：

>hello
>:list
hello
>world
>:list
helloworld
>:undo
>:list
hello

  怎样去实现？方法肯定有好多种，你可以自己先打开 IDEA 尝试一下，备忘录的实现方式灵活。等你实现完成后可以看一下下面这种实现方式：

public class InputText {
	private StringBuilder text = new StringBuilder();
	
	public String getText() {
		return text.toString();
	} 
	public void append(String input) {
		text.append(input);
	} 
	public void setText(String text) {
		this.text.replace(0, this.text.length(), text);
	}
}

public class SnapshotHolder {
	private Stack<InputText> snapshots = new Stack<>();

	public InputText popSnapshot() {
		return snapshots.pop();
	}

	public void pushSnapshot(InputText inputText) {
		InputText deepClonedInputText = new InputText();
		deepClonedInputText.setText(inputText.getText());
		snapshots.push(deepClonedInputText);
	}
}

public class ApplicationMain {
	public static void main(String[] args) {
		InputText inputText = new InputText();
		SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);
		while (scanner.hasNext()) {
			String input = scanner.next();
			if (input.equals(":list")) {
				System.out.println(inputText.toString());
			} else if (input.equals(":undo")) {
				InputText snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();
				inputText.setText(snapshot.getText());
			} else {
				snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText);
				inputText.append(input);
			}
		}
	}
}

  上面的代码已经实现了第一部分的备忘录功能。但是，如果我们深究一下的话，还有一些问题要解决，那就是前面定义中提到的第二点：要在不违背封装原则的前提下，进行对象的备份和恢复。而上面的代码并不满足这一点，主要体现在下面两方面：

• 为了能用快照恢复 InputText 对象，我们在 InputText 类中定义了 setText() 函数，但这个函数有可能会被其他业务使用，所以，暴露不应该暴露的函数违背了封装原则；
• 快照本身是不可变的，理论上讲，不应该包含任何 set() 等修改内部状态的函数，但在上面的代码实现中，“快照“这个业务模型复用了 InputText 类的定义，而InputText 类本身有一系列修改内部状态的函数，所以，用 InputText 类来表示快照违背了封装原则。

  针对以上问题，我们对代码做两点修改。其一，定义一个独立的类（Snapshot 类）来表示快照，而不是复用 InputText 类。这个类只暴露 get() 方法，没有 set() 等任何修改内部状态的方法。其二，在 InputText 类中，我们把 setText() 方法重命名为 restoreSnapshot()方法，用意更加明确，只用来恢复对象。

  按照这个思路我们来重构上面的代码：

public class InputText {
	private StringBuilder text = new StringBuilder();
	
	public String getText() {
		return text.toString();
	} 
	
	public void append(String input) {
		text.append(input);
	}
	
	public Snapshot createSnapshot() {
		return new Snapshot(text.toString());
	}

	public void restoreSnapshot(Snapshot snapshot) {
		this.text.replace(0, this.text.length(), snapshot.getText());
	}
}

public class Snapshot {
	private String text;
	
	public Snapshot(String text) {
		this.text = text;
	}
	 
	public String getText() {
		return this.text;
	}
}

public class SnapshotHolder {
	private Stack<Snapshot> snapshots = new Stack<>();
	public Snapshot popSnapshot() {
		return snapshots.pop();
	} 
	public void pushSnapshot(Snapshot snapshot) {
		snapshots.push(snapshot);
	}
}

public class ApplicationMain {
	public static void main(String[] args) {
		InputText inputText = new InputText();
		SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();
		Scanner scanner = new Scanner(System.in);
		while (scanner.hasNext()) {
			String input = scanner.next();
			if (input.equals(":list")) {
				System.out.println(inputText.toString());
			} else if (input.equals(":undo")) {
				Snapshot snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();
				inputText.restoreSnapshot(snapshot);
			} else {
				snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText.createSnapshot());
				inputText.append(input);
			}
		}
	}
}

  上面这段代码就是《设计模式》中的经典写法。

如何优化内存和时间消耗

  前面我们只是简单介绍了备忘录模式的原理和经典实现，现在我们再继续深挖一下。如果要备份的对象数据比较大，备份频率又比较高，那快照占用的内存会比较大，备份和恢复的耗时会比较长。这个问题该如何解决呢？
  不同场景下有不同的做法，比如上面的撤销动作，我们是存储了整条文本，假设我们支持顺序撤销，那么在这种场景下，我们不需要在快照中存储完整的文本，只需要记录少许信息，比如在获取快照当下的文本长度，用这个值结合 InputText 类对象存储的文本来做撤销操作。
  我们再举一个例子。假设每当有数据改动，我们都需要生成一个备份，以备之后恢复。如果需要备份的数据很大，这样高频率的备份，不管是对存储（内存或者硬盘）的消耗，还是对时间的消耗，都可能是无法接受的。想要解决这个问题，我们一般会采用“低频率全量备份”和“高频率增量备份”相结合的方法（这里实际上可以是 Redis 的快照存储模式）。
  全量备份就不用讲了，它跟我们上面的例子类似，就是把所有的数据“拍个快照”保存下
来。所谓“增量备份”，指的是记录每次操作或数据变动。