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Java 设计模式之策略模式 (Strategy Pattern) 详解

策略模式（Strategy Pattern）是一种行为型设计模式，旨在定义一系列算法，将每个算法封装起来，并使它们可以互相替换，从而使得算法的变化不会影响使用算法的客户端。策略模式的主要结构包括策略接口、具体策略类和上下文类，通过将算法的选择与使用分离，实现了代码的可维护性和灵活性。

更多设计模式请参考：Java 中的 23 种设计模式详解

1. 策略模式的动机

在软件开发中，经常遇到需要在运行时动态选择一种算法的情况。例如，排序算法、支付方式、文件压缩等场景都可能需要在不同条件下选择不同的算法实现。如果在客户端代码中硬编码这些算法的选择逻辑，会导致代码难以维护和扩展。策略模式通过将算法的选择和实现分离，使得算法可以独立变化，客户端代码可以更简洁和灵活。

2. 策略模式的结构

策略模式包含以下几部分：

  • 策略接口（Strategy Interface）：定义所有支持的算法的公共接口。
  • 具体策略类（Concrete Strategies）：实现策略接口，定义具体的算法。
  • 上下文类（Context Class）：使用一个具体策略对象来配置，并维护对策略对象的引用。
3. 策略模式的UML类图

4. 策略模式的实现

以下是一个使用策略模式的Java示例，该示例演示了如何选择不同的策略来执行操作：

4.1 策略接口
// 定义策略接口
public interface Strategy {
    void execute();
}
4.2 具体策略类
// 具体策略A
public class ConcreteStrategyA implements Strategy {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("执行策略A");
    }
}

// 具体策略B
public class ConcreteStrategyB implements Strategy {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("执行策略B");
    }
}
4.3 上下文类
// 上下文类
public class Context {
    private Strategy strategy;

    // 设置策略
    public void setStrategy(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    // 执行策略
    public void executeStrategy() {
        if (strategy == null) {
            throw new IllegalStateException("Strategy未设置");
        }
        strategy.execute();
    }
}
4.4 客户端代码
public class StrategyPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Context context = new Context();

        // 使用策略A
        context.setStrategy(new ConcreteStrategyA());
        context.executeStrategy(); // 输出: 执行策略A

        // 使用策略B
        context.setStrategy(new ConcreteStrategyB());
        context.executeStrategy(); // 输出: 执行策略B
    }
}

5. 策略模式的优缺点

优点
  1. 算法可以自由切换：可以在不影响客户端的情况下更改算法。
  2. 避免多重条件判断：使用策略模式可以避免过多的if-else或switch-case语句。
  3. 扩展性好：增加新的策略时只需添加新的策略类即可，不需要修改现有代码。
缺点
  1. 客户端必须知道所有的策略类：客户端需要了解每个策略类的具体实现，这增加了复杂度。
  2. 增加对象数目：如果策略较多，会增加类的数量，导致系统变得复杂。

6. 策略模式的应用场景

策略模式适用于以下场景：

  • 需要在不同情况下使用不同的算法。
  • 有许多相关类仅仅在行为上有所不同。
  • 需要避免使用复杂的条件语句来选择不同的行为。

7. 策略模式的变体

策略模式可以与其他设计模式结合使用，以增强其功能。例如：

  • 组合模式（Composite Pattern）：可以将策略模式与组合模式结合，使得策略的选择更加灵活。
  • 工厂模式（Factory Pattern）：可以使用工厂模式来创建策略对象，从而实现策略的动态选择。

8. 策略模式与其他设计模式的比较

  • 策略模式 vs. 状态模式：两者结构类似，但策略模式的不同策略是彼此独立的，而状态模式的不同状态之间存在一定的关系。
  • 策略模式 vs. 命令模式：命令模式用于封装请求，将请求与执行解耦，而策略模式用于封装算法，将算法与使用算法的代码解耦。

9. 策略模式的实现细节与最佳实践

9.1 延迟初始化策略

在某些情况下，策略的初始化可能比较耗时，可以使用延迟初始化（Lazy Initialization）来提高性能：

public class Context {
    private Strategy strategy;

    public void setStrategy(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void executeStrategy() {
        if (strategy == null) {
            // 延迟初始化
            strategy = new ConcreteStrategyA();
        }
        strategy.execute();
    }
}
9.2 使用反射动态加载策略

为了避免频繁修改代码，可以通过反射动态加载策略：

public class Context {
    private Strategy strategy;

    public void setStrategy(String strategyClassName) throws Exception {
        this.strategy = (Strategy) Class.forName(strategyClassName).getDeclaredConstructor().newInstance();
    }

    public void executeStrategy() {
        strategy.execute();
    }
}
9.3 使用配置文件管理策略

将策略的配置放在配置文件中，便于管理和维护：

# strategy.properties
strategy=ConcreteStrategyA

import java.io.InputStream;
import java.util.Properties;

public class StrategyLoader {
    public static Strategy loadStrategy() throws Exception {
        Properties properties = new Properties();
        try (InputStream input = StrategyLoader.class.getResourceAsStream("/strategy.properties")) {
            properties.load(input);
        }
        String strategyClassName = properties.getProperty("strategy");
        return (Strategy) Class.forName(strategyClassName).getDeclaredConstructor().newInstance();
    }
}
9.4 策略模式与依赖注入

结合依赖注入框架（如Spring），可以更加灵活地管理策略的实例：

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Component;

@Component
public class Context {
    private final Strategy strategy;

    @Autowired
    public Context(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void executeStrategy() {
        strategy.execute();
    }
}

10. 策略模式的实际应用案例

10.1 支付系统中的策略模式

在一个支付系统中，可能有多种支付方式，如信用卡支付、支付宝支付、微信支付等。通过策略模式，可以根据用户选择的支付方式动态切换支付策略。

支付策略接口
public interface PaymentStrategy {
    void pay(double amount);
}
具体支付策略类
// 信用卡支付策略
public class CreditCardPaymentStrategy implements PaymentStrategy {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用信用卡支付：" + amount + "元");
    }
}

// 支付宝支付策略
public class AliPayPaymentStrategy implements PaymentStrategy {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用支付宝支付：" + amount + "元");
    }
}

// 微信支付策略
public class WeChatPaymentStrategy implements PaymentStrategy {
    @Override
    public void pay(double amount) {
        System.out.println("使用微信支付：" + amount + "元");
    }
}
支付上下文类
public class PaymentContext {
    private PaymentStrategy paymentStrategy;

    // 设置支付策略
    public void setPaymentStrategy(PaymentStrategy paymentStrategy) {
        this.paymentStrategy = paymentStrategy;
    }

    // 执行支付
    public void pay(double amount) {
        if (paymentStrategy == null) {
            throw new IllegalStateException("PaymentStrategy未设置");
        }
        paymentStrategy.pay(amount);
    }
}
支付策略工厂类

为了更加优雅地创建支付策略，可以使用工厂模式：

public class PaymentStrategyFactory {
    public static PaymentStrategy getPaymentStrategy(String type) {
        switch (type) {
            case "CreditCard":
                return new CreditCardPaymentStrategy();
            case "AliPay":
                return new AliPayPaymentStrategy();
            case "WeChat":
                return new WeChatPaymentStrategy();
            default:
                throw new IllegalArgumentException("未知的支付类型: " + type);
        }
    }
}
客户端代码


public class PaymentDemo {
    public static void main(String[] args) {
        PaymentContext context = new PaymentContext();

        // 从外部获取支付类型，例如通过用户输入或配置文件
        String paymentType = "CreditCard"; // 这里可以根据实际情况更改

        // 使用工厂创建支付策略
        PaymentStrategy paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);
        
        // 设置支付策略
        context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);

        // 执行支付
        context.pay(100.0); // 输出: 使用信用卡支付：100.0元

        // 更改支付策略
        paymentType = "AliPay";
        paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);
        context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);
        context.pay(200.0); // 输出: 使用支付宝支付：200.0元

        // 更改支付策略
        paymentType = "WeChat";
        paymentStrategy = PaymentStrategyFactory.getPaymentStrategy(paymentType);
        context.setPaymentStrategy(paymentStrategy);
        context.pay(300.0); // 输出: 使用微信支付：300.0元
    }
}

优化的重点

  1. 工厂模式：使用工厂模式来创建支付策略对象，使客户端代码更简洁，策略的创建和选择更灵活。
  2. 空策略检查：在上下文类中增加对策略是否为空的检查，避免未设置策略时的运行时错误。
  3. 策略类型动态获取：通过从外部（如用户输入或配置文件）获取支付类型，示例代码更加接近实际应用场景。

通过策略模式和工厂模式的结合，可以实现一个灵活、可扩展且易于维护的支付系统。在实际开发中，进一步结合依赖注入框架（如Spring）来管理策略对象，可以提升代码的可测试性和可扩展性。

本文标签： 模式详解策略JavaPattern

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