设计模式 (一)——策略模式（Strategy，行为型）

1.概述

使用设计模式可以提高代码的可复用性、可扩充性和可维护性。策略模式（Strategy Pattern）属于行为型模式，其做法是将类所需的行为或者算法一个个封装成单独的类，并将其作为类的数据成员，使得类的行为可以在不改变类设计的情况下灵活变化。

2.实例

上面对策略模式的概述难免显得抽象，难于理解，下面给出实例，让我们在实际应用中感受策略模式的做法和作用。

2.1丑陋的设计

比如现在我们要设计一款模拟鸭子的游戏：游戏中会出现各种鸭子，一遍游泳戏水，一边呱呱叫。我们采用面向对象技术，先设计一个基类Duck，然后让各种鸭子继承该基类。代码如下：

//基类Duck
class Duck{
public:
    //呱呱叫
    virtual void quack(){
        cout<<"呱呱叫"<<endl;
    }
    //游泳
    virtual void swim(){
        cout<<"开始游泳"<<endl;
    }
    //飞行
    virtual void fly(){
        cout<<"开始飞行"<<endl;
    }
    //外观展示（纯虚函数，由子类实现）
    virtual void display()=0;
};
//绿头野鸭
class MallardDuck{
public:
    virtual void display(){
        //外观是绿头
    }
};
//红头鸭
class RedheadDuck{
public:
    virtual void display(){
        //外观是红头
    }
};

上面的设计使用类继承的方式，复用了不同种类鸭子的公共行为，如游泳、呱呱叫和飞行，也就实现了代码复用。一切看似完美，但是现在我们需要在游戏中增加一个橡皮鸭。按照前面的思维，我们顺其自然的让新的类RubberDuck继承基类Duck，但是橡皮鸭不能飞，叫的声音也和绿头野鸭和红头鸭不一样，于是我们需要在RubberDuck重写基类的fly和quack方法。

class RubberDuck:public Duck{
public:
    virtual void fly(){
        cout<<"我不能飞行"<<endl;
    }
    virtual void quack(){
        cout<<"吱吱叫"<<endl;
    }
};

现在我们是否能暗自庆幸通过虚函数重写的方法解决了上面的问题，觉得上面的设计令人满意。但是问题来了，如果游戏每六个月更新一次，每次需要加入新的鸭子子类，我们就要被迫检查可能需要重写的fly()和quack()…甚至需要更改基类Duck的设计，加入新的行为方法，这简直是无穷无尽的噩梦。

因为，并非所有的子类都具有飞行和呱呱叫的行为，所以继承并不是合适的解决方式。所以，我们需要让“某些”（而不是全部）鸭子类型可飞或可叫。

2.2合适的设计

现在，我们需要坚持一个面向对象的设计原则：封装变化。找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不需要变化的代码混在一起。该原则把应用中会变化的部分抽取出来封装起来，以便以后可以轻易地改动或扩充，而不影响不需要变化的其他部分。

如何设计那组实现飞行和呱呱叫的行为的类呢？我们希望一切能有弹性，能够在游戏运行的过程中动态的改变鸭子的行为。也就是说，我们应该在鸭子类中包含设定行为的方法。有了这个设计目标，我们需要坚持第二个设计原则：针对接口编程，而不是针对实现编程。这里要说明一下，C++的接口指的是抽象类，含有纯虚函数的类[1]。

在此，我们设计两个接口，FlyBehavior和QuackBehavior，还有他们对应的子类，负责实现具体的行为：

//飞行接口，所有飞行类都实现它，所有新的飞行类都必须实现fly()方法
class FlyBehavior{
public:
    virtual void fly()=0;
};
//翅膀飞行类
class FlyWithWings:public FlyBehavior{
public:
    virtual void fly(){
        //实现鸭子飞行
    }
};
//不飞行类
class FlyNoWay:public FlyBehavior{
public:
    virtual void fly(){
        //什么都不做，鸭子不飞行
    }
};
//呱呱叫行为接口，一个接口只包含一个需要实现的quack()方法
class QuackBehavior{
public:
    virtual void quack()=0;
};
//真的呱呱叫
class Quack:public QuackBehavior{
public:
    virtual void quack(){//实现鸭子呱呱叫}
};
//吱吱叫
class Squeak:public QuackBehavior{
public:
    virtual void quack(){//实现鸭子吱吱叫}
};
//不叫
class MuteQuack:public QuackBehavior{
public:
    virtual void quack(){//什么都不做，不会叫}
};

这样的设计，可以让飞行和呱呱叫的动作被其他的对象复用，因为这些行为已经与鸭子类无关了。此外，我们也可以新增一些行为，不会影响到既有的行为类，也不会影响“使用”到飞行行为的鸭子类。

下面整合鸭子的行为。将行为类对象作为鸭子类的数据成员，并提供动态改变行为的方法，具体实现如下：

//橡胶鸭类
class RubberDuck {
private:
    FlyBehavior* flyBehavior;
    QuackBehavior* quackBehavior;
public:
    RubberDuck() {
        flyBehavior = new FlyNoWay();
        quackBehavior = new Squeak();
    }
    //飞行行为
    void performFly() {
        flyBehavior->fly();
    }
    //改变飞行行为
    void setFlyBehavior(FlyBehavior* flyB) {
        flyBehavior = flyB;
    }
    //呱呱叫行为
    void performQuack() {
        quackBehavior->quack();
    }
    //改变叫声
    void setPerformQuack(QuackBehavior* quackB) {
        quackBehavior = quackB;
    }
    //其他行为方法及析构函数
    ...
};

上面就可以动态地改变了鸭子对象的飞行方式和呱呱叫行为，因为每一个鸭子都有一个FlyBehavior和一个QuackBehavior，将飞行和呱呱叫委托给它们代为处理。

当你将两个类结合起来使用，如同上面的例子，这就是组合（composition）。这种做法和“继承”不同的地方在于，鸭子的行为不是继承来的，而是和适当的行为对象“组合”而来。这是一个很重要的技巧，其实是使用了我们的第三个设计原则：多用组合，少用继承。

如你所见，使用组合建立系统具有很大的弹性，不仅可将算法族封装成类，更可以“在运行时动态地改变行为“。组合可以用在许多设计模式中，有优点，但也有缺点。

3.小结

（1）使用设计模式可以提高代码的可复用性、可扩充性和可维护性；

（2）OO（Object Oriented，面向对象）的基础是：抽象、封装、继承与多态；

（3）本文提到的OO原则有：

（3.1）封装变化。找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不需要变化的代码混在一起；

（3.2）针对接口编程，不针对实现编程；

（3.3）多用组合，少用继承。

（4）策略模式：定义算法族，分别封装起来，让它们之间可以互相替换，此模式让算法的变化独立于使用算法的客户。

（5）在面向对象设计时，没有找到适当的模式解决问题时，要想建立可维护的OO系统，要诀在于随时想到系统以后可能需要的变化以及应对变化的原则。

---

参考文献

[1]标准C++中有没有接口和纯抽象类的概念？

[2]Freeman E.,Freeman E.,Sierra K.,et al.设计模式[M].第一版O’Reilly Taiwan公司译.北京：中国电力出版社，2015：1-32