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设计模式-访问者模式

发表于 分类于 阅读次数： Valine：
本文字数： 11k 阅读时长 ≈ 10 分钟

大部分设计模式的原理和实现都很简单，不过也有例外，比如今天要讲的访问者模式。它可以算是 23 种经典设计模式中最难理解的几个之一。因为它难理解、难实现，应用它会导致代码的可读性、可维护性变差，所以，访问者模式在实际的软件开发中很少被用到，在没有特别必要的情况下，建议你不要使用访问者模式。

带你“发明”访问者模式

假设我们从网站上爬取了很多资源文件，它们的格式有三种：PDF、PPT、Word。我们现在要开发一个工具来处理这批资源文件。这个工具的其中一个功能是，把这些资源文件中的文本内容抽取出来放到 txt 文件中。如果让你来实现，你会怎么来做呢？

实现这个功能并不难，不同的人有不同的写法，我将其中一种代码实现方式贴在这里。其中，ResourceFile 是一个抽象类，包含一个抽象函数 extract2txt()。PdfFile、PPTFile、 WordFile 都继承 ResourceFile 类，并且重写了 extract2txt() 函数。在 ToolApplication 中，我们可以利用多态特性，根据对象的实际类型，来决定执行哪个方法。

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public abstract class ResourceFile {
    protected String filePath;
    public ResourceFile(String filePath) {
        this.filePath = filePath;
    }
    public abstract void extract2txt();
}
public class PdfFile extends ResourceFile {
    public PdfFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void extract2txt() {
        System.out.println("Extract PDF.");
    }
}
public class PPTFile extends ResourceFile {
    public PPTFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void extract2txt() {
        System.out.println("Extract PPT.");
    }
}
public class WordFile extends ResourceFile {
    public WordFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void extract2txt() {
        System.out.println("Extract WORD.");
    }
}
public class ToolApplication {
    public static void main(String[] args) {
        List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles();
        for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.extract2txt();
        }
    }
    private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles() {
        List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
        resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
        resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
        resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
        return resourceFiles;
    }
}

如果工具的功能不停地扩展，不仅要能抽取文本内容，还要支持压缩、提取文件元信息（文 件名、大小、更新时间等等）构建索引等一系列的功能，那如果我们继续按照上面的实现思路，就会存在这样几个问题：

  • 违背开闭原则，添加一个新的功能，所有类的代码都要修改；
  • 虽然功能增多，每个类的代码都不断膨胀，可读性和可维护性都变差了；
  • 把所有比较上层的业务逻辑都耦合到 PdfFile、PPTFile、WordFile 类中，导致这些类的职责不够单一，变成了大杂烩。

针对上面的问题，我们常用的解决方法就是拆分解耦，把业务操作跟具体的数据结构解耦，设计成独立的类。这里我们按照访问者模式的演进思路来对上面的代码进行重构。重构之后的代码如下所示。

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public abstract class ResourceFile {
    protected String filePath;
    public ResourceFile(String filePath) {
        this.filePath = filePath;
    }
}
public class PdfFile extends ResourceFile {
    public PdfFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    //...
}
//...PPTFile、WordFile代码省略...
public class Extractor {
    public void extract2txt(PPTFile pptFile) {
        //...
        System.out.println("Extract PPT.");
    }
    public void extract2txt(PdfFile pdfFile) {
        //...
        System.out.println("Extract PDF.");
    }
    public void extract2txt(WordFile wordFile) {
        //...
        System.out.println("Extract WORD.");
    }
}
public class ToolApplication {
    public static void main(String[] args) {
        Extractor extractor = new Extractor();
        List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles();
        for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            extractor.extract2txt(resourceFile); // 编译报错
        }
    }
    private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles() {
        List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
        resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
        resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
        resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
        return resourceFiles;
    }
}

这其中最关键的一点设计是，我们把抽取文本内容的操作，设计成了三个重载函数。函数重载是 Java、C++ 这类面向对象编程语言中常见的语法机制。所谓重载函数是指，在同一类中函数名相同、参数不同的一组函数。

不过，如果你足够细心，就会发现，上面的代码是编译通过不了的，第 33 行会报错。这是为什么呢？

我们知道，多态是一种动态绑定，可以在运行时获取对象的实际类型，来运行实际类型对应的方法。而函数重载是一种静态绑定，在编译时并不能获取对象的实际类型，而是根据声明类型执行声明类型对应的方法。

在上面代码的第 31～34 行中，resourceFiles 包含的对象的声明类型都是 ResourceFile， 而我们并没有在 Extractor 类中定义参数类型是 ResourceFile 的 extract2txt() 重载函数，所以在编译阶段就通过不了，更别说在运行时根据对象的实际类型执行不同的重载函数了。那如何解决这个问题呢？

解决的办法稍微有点难理解，我们先来看代码，然后我再来给你慢慢解释。

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public abstract class ResourceFile {
    protected String filePath;
    public ResourceFile(String filePath) {
        this.filePath = filePath;
    }
    abstract public void accept(Extractor extractor);
}
public class PdfFile extends ResourceFile {
    public PdfFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void accept(Extractor extractor) {
        extractor.extract2txt(this);
    }
    //...
}
//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似，这里就省略了...
//...Extractor代码不变...
public class ToolApplication {
    public static void main(String[] args) {
        Extractor extractor = new Extractor();
        List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles();
        for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.accept(extractor);
        }
    }
    private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles() {
        List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
        resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
        resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
        resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
        return resourceFiles;
    }
}

在执行第 25 行的时候，根据多态特性，程序会调用实际类型的 accept 函数，比如 PdfFile 的 accept 函数，也就是第 14 行代码。而 14 行代码中的 this 类型是 PdfFile 的， 在编译的时候就确定了，所以会调用 extractor 的 extract2txt(PdfFile pdfFile) 这个重载函数。这个实现思路是不是很有技巧？这是理解访问者模式的关键所在，也是我之前所说的访问者模式不好理解的原因。

现在，如果要继续添加新的功能，比如前面提到的压缩功能，根据不同的文件类型，使用不同的压缩算法来压缩资源文件，那我们该如何实现呢？我们需要实现一个类似 Extractor 类的新类 Compressor 类，在其中定义三个重载函数，实现对不同类型资源文件的压缩。除此之外，我们还要在每个资源文件类中定义新的 accept 重载函数。具体的代码如下所示：

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public abstract class ResourceFile {
    protected String filePath;
    public ResourceFile(String filePath) {
        this.filePath = filePath;
    }
    abstract public void accept(Extractor extractor);
    abstract public void accept(Compressor compressor);
}
public class PdfFile extends ResourceFile {
    public PdfFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void accept(Extractor extractor) {
        extractor.extract2txt(this);
    }
    @Override
    public void accept(Compressor compressor) {
        compressor.compress(this);
    }
    //...
}
}
//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似，这里就省略了...
//...Extractor代码不变
public class ToolApplication {
    public static void main(String[] args) {
        Extractor extractor = new Extractor();
        List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles();
        for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.accept(extractor);
        }
        Compressor compressor = new Compressor();
        for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.accept(compressor);
        }
    }
    private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles() {
        List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
        //...根据后缀(pdf/ppt/word)由工厂方法创建不同的类对象(PdfFile/PPTFile/WordFile)
        resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
        resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
        resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
        return resourceFiles;
    }
}

上面代码还存在一些问题，添加一个新的业务，还是需要修改每个资源文件类，违反了开闭原则。针对这个问题，我们抽象出来一个 Visitor 接口，包含是三个命名非常通用的 visit() 重载函数，分别处理三种不同类型的资源文件。具体做什么业务处理，由实现这个 Visitor 接口的具体的类来决定，比如 Extractor 负责抽取文本内容，Compressor 负责压缩。当我们新添加一个业务功能的时候，资源文件类不需要做任何修改，只需要修改 ToolApplication 的代码就可以了。

按照这个思路我们可以对代码进行重构，重构之后的代码如下所示：

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public abstract class ResourceFile {
    protected String filePath;
    public ResourceFile(String filePath) {
        this.filePath = filePath;
    }
    abstract public void accept(Visitor vistor);
}
public class PdfFile extends ResourceFile {
    public PdfFile(String filePath) {
        super(filePath);
    }
    @Override
    public void accept(Visitor visitor) {
        visitor.visit(this);
    }
    //...
}
//...PPTFile、WordFile跟PdfFile类似，这里就省略了...
public interface Visitor {
    void visit(PdfFile pdfFile);
    void visit(PPTFile pdfFile);
    void visit(WordFile pdfFile);
}
public class Extractor implements Visitor {
    @Override
    public void visit(PPTFile pptFile) {
        //...
        System.out.println("Extract PPT.");
    }
    @Override
    public void visit(PdfFile pdfFile) {
        //...
        System.out.println("Extract PDF.");
    }
    @Override
    public void visit(WordFile wordFile) {
        //...
        System.out.println("Extract WORD.");
    }
}
public class Compressor implements Visitor {
    @Override
    public void visit(PPTFile pptFile) {
        //...
        System.out.println("Compress PPT.");
    }
    @Override
    public void visit(PdfFile pdfFile) {
        //...
        System.out.println("Compress PDF.");
    }
    @Override
    public void visit(WordFile wordFile) {
        //...
        System.out.println("Compress WORD.");
    }
}
public class ToolApplication {
    public static void main(String[] args) {
        Extractor extractor = new Extractor();
        List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles();
        for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.accept(extractor);
        }
        Compressor compressor = new Compressor();
        for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
            resourceFile.accept(compressor);
        }
    }
    private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles() {
        List<ResourceFile> resourceFiles = new ArrayList<>();
        resourceFiles.add(new PdfFile("a.pdf"));
        resourceFiles.add(new WordFile("b.word"));
        resourceFiles.add(new PPTFile("c.ppt"));
        return resourceFiles;
    }
}

重新来看访问者模式

刚刚我带你一步一步还原了访问者模式诞生的思维过程，现在，我们回过头来总结一下，这个模式的原理和代码实现。

访问者模式的英文翻译是 Visitor Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中，它是这么定义的：允许一个或者多个操作应用到一组对象上，解耦操作和对象本身。

对于访问者模式的代码实现，实际上，在上面例子中，经过层层重构之后的最终代码，就是标准的访问者模式的实现代码。这里，我又总结了一张类图，贴在了下面，你可以对照着前面的例子代码一块儿来看 一下。

最后，我们再来看下，访问者模式的应用场景。一般来说，访问者模式针对的是一组类型不同的对象（PdfFile、PPTFile、WordFile）。不过，尽管这组对象的类型是不同的，但是，它们继承相同的父类（ResourceFile）或者实现相同的接口。在不同的应用场景下，我们需要对这组对象进行一系列不相关的业务操作（抽取文本、压缩等），但为了避免不断添加功能导致类（PdfFile、PPTFile、WordFile）不断膨胀，职责越来越不单一，以及避免频繁地添加功能导致的频繁代码修改，我们使用访问者模式，将对象与操作解耦，将这些业务操作抽离出来，定义在独立细分的访问者类（Extractor、Compressor）中。

------ 本文结束------