实践GoF的设计模式：访问者模式

摘要：访问者模式的目的是，解耦数据结构和算法，使得系统能够在不改变现有代码结构的基础上，为对象新增一种新的操作。

本文分享自华为云社区《【Go实现】实践GoF的23种设计模式：访问者模式》，作者：元闰子 。

简介

GoF 对访问者模式（Visitor Pattern）的定义如下：

Represent an operation to be performed on the elements of an object structure. Visitor lets you define a new operation without changing the classes of the elements on which it operates.

访问者模式的目的是，解耦数据结构和算法，使得系统能够在不改变现有代码结构的基础上，为对象新增一种新的操作。

上一篇介绍的迭代器模式也做到了数据结构和算法的解耦，不过它专注于遍历算法。访问者模式，则在遍历的同时，将操作作用到数据结构上，一个常见的应用场景是语法树的解析。

UML 结构

场景上下文

在 简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，db 模块用来存储服务注册和监控信息，它是一个 key-value 数据库。另外，我们给 db 模块抽象出 Table 对象：

// demo/db/table.go
package db
// Table 数据表定义
type Table struct {
    name            string
    metadata        map[string]int // key为属性名，value属性值的索引, 对应到record上存储
    records         map[interface{}]record
 iteratorFactory TableIteratorFactory // 默认使用随机迭代器
}

目的是提供类似于关系型数据库的按列查询能力，比如：

上述的按列查询只是等值比较，未来还可能会实现正则表达式匹配等方式，因此我们需要设计出可供未来扩展的接口。这种场景，使用访问者模式正合适。

代码实现

// demo/db/table_visitor.go
package db
// 关键点1: 定义表查询的访问者抽象接口，允许后续扩展查询方式
type TableVisitor interface {
 // 关键点2: Visit方法以Element作为入参，这里的Element为Table对象
 Visit(table *Table) ([]interface{}, error)
}
// 关键点3: 定义Visitor抽象接口的实现对象，这里FieldEqVisitor实现按列等值查询逻辑
type FieldEqVisitor struct {
    field string
    value interface{}
}
// 关键点4: 为FieldEqVisitor定义Visit方法，实现具体的等值查询逻辑
func (f *FieldEqVisitor) Visit(table *Table) ([]interface{}, error) {
 result := make([]interface{}, 0)
 idx, ok := table.metadata[f.field]
 if !ok {
 return nil, ErrRecordNotFound
 }
 for _, r := range table.records {
 if reflect.DeepEqual(r.values[idx], f.value) {
            result = append(result, r)
 }
 }
 if len(result) == 0 {
 return nil, ErrRecordNotFound
 }
 return result, nil
}
func NewFieldEqVisitor(field string, value interface{}) *FieldEqVisitor {
 return &FieldEqVisitor{
        field: field,
        value: value,
 }
}
// demo/db/table.go
package db
type Table struct {...}
// 关键点5: 为Element定义Accept方法，入参为Visitor接口
func (t *Table) Accept(visitor TableVisitor) ([]interface{}, error) {
 return visitor.Visit(t)
}

客户端可以这么使用：

func client() {
 table := NewTable("testRegion").WithType(reflect.TypeOf(new(testRegion)))
 table.Insert(1, &testRegion{Id: 1, Name: "beijing"})
 table.Insert(2, &testRegion{Id: 2, Name: "beijing"})
 table.Insert(3, &testRegion{Id: 3, Name: "guangdong"})
 visitor := NewFieldEqVisitor("name", "beijing")
    result, err := table.Accept(visitor)
 if err != nil {
 t.Error(err)
 }
 if len(result) != 2 {
 t.Errorf("visit failed, want 2, got %d", len(result))
 }
}

总结实现访问者模式的几个关键点：

1. 定义访问者抽象接口，上述例子为 TableVisitor， 目的是允许后续扩展表查询方式。
2. 访问者抽象接口中，Visit 方法以 Element 作为入参，上述例子中， Element 为 Table 对象。
3. 为 Visitor 抽象接口定义具体的实现对象，上述例子为 FieldEqVisitor。
4. 在访问者的 Visit 方法中实现具体的业务逻辑，上述例子中 FieldEqVisitor.Visit(...) 实现了按列等值查询逻辑。
5. 在被访问者 Element 中定义 Accept 方法，以访问者 Visitor 作为入参。上述例子中为 Table.Accept(...) 方法。

扩展

Go 风格实现

上述实现是典型的面向对象风格，下面以 Go 风格重新实现访问者模式：

// demo/db/table_visitor_func.go
package db
// 关键点1: 定义一个访问者函数类型
type TableVisitorFunc func(table *Table) ([]interface{}, error)
// 关键点2: 定义工厂方法，工厂方法返回的是一个访问者函数，实现了具体的访问逻辑
func NewFieldEqVisitorFunc(field string, value interface{}) TableVisitorFunc {
 return func(table *Table) ([]interface{}, error) {
 result := make([]interface{}, 0)
 idx, ok := table.metadata[field]
 if !ok {
 return nil, ErrRecordNotFound
 }
 for _, r := range table.records {
 if reflect.DeepEqual(r.values[idx], value) {
                result = append(result, r)
 }
 }
 if len(result) == 0 {
 return nil, ErrRecordNotFound
 }
 return result, nil
 }
}
// 关键点3: 为Element定义Accept方法，入参为Visitor函数类型
func (t *Table) AcceptFunc(visitorFunc TableVisitorFunc) ([]interface{}, error) {
 return visitorFunc(t)
}

客户端可以这么使用：

func client() {
 table := NewTable("testRegion").WithType(reflect.TypeOf(new(testRegion)))
 table.Insert(1, &testRegion{Id: 1, Name: "beijing"})
 table.Insert(2, &testRegion{Id: 2, Name: "beijing"})
 table.Insert(3, &testRegion{Id: 3, Name: "guangdong"})
    result, err := table.AcceptFunc(NewFieldEqVisitorFunc("name", "beijing"))
 if err != nil {
 t.Error(err)
 }
 if len(result) != 2 {
 t.Errorf("visit failed, want 2, got %d", len(result))
 }
}

Go 风格的实现，利用了函数闭包的特点，更加简洁了。

总结几个实现关键点：

1. 定义一个访问者函数类型，函数签名以 Element 作为入参，上述例子为 TableVisitorFunc 类型。
2. 定义一个工厂方法，工厂方法返回的是具体的访问访问者函数，上述例子为 NewFieldEqVisitorFunc 方法。这里利用了函数闭包的特性，在访问者函数中直接引用工厂方法的入参，与 FieldEqVisitor 中持有两个成员属性的效果一样。
3. 为 Element 定义 Accept 方法，入参为 Visitor 函数类型 ，上述例子是 Table.AcceptFunc(...) 方法。

与迭代器模式结合

访问者模式经常与迭代器模式一起使用。比如上述例子中，如果你定义的 Visitor 实现不在 db 包内，那么就无法直接访问 Table 的数据，这时就需要通过 Table 提供的迭代器来实现。

在 简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，db 模块存储的服务注册信息如下：

// demo/service/registry/model/service_profile.go
package model
// ServiceProfileRecord 存储在数据库里的类型
type ServiceProfileRecord struct {
    Id       string // 服务ID
    Type     ServiceType // 服务类型
    Status   ServiceStatus // 服务状态
    Ip       string // 服务IP
    Port     int // 服务端口
 RegionId string // 服务所属regionId
    Priority int // 服务优先级，范围0～100，值越低，优先级越高
    Load     int // 服务负载，负载越高表示服务处理的业务压力越大
}

现在，我们要查询符合指定 ServiceId 和 ServiceType 的服务记录，可以这么实现一个 Visitor：

// demo/service/registry/model/service_profile.go
package model
type ServiceProfileVisitor struct {
 svcId string
 svcType ServiceType
}
func (s *ServiceProfileVisitor) Visit(table *db.Table) ([]interface{}, error) {
 var result []interface{}
 // 通过迭代器来遍历Table的所有数据
 iter := table.Iterator()
 for iter.HasNext() {
 profile := new(ServiceProfileRecord)
 if err := iter.Next(profile); err != nil {
 return nil, err
 }
 // 先匹配ServiceId，如果一致则无须匹配ServiceType
 if profile.Id != "" && profile.Id == s.svcId {
            result = append(result, profile)
 continue
 }
 // ServiceId匹配不上，再匹配ServiceType
 if profile.Type != "" && profile.Type == s.svcType {
            result = append(result, profile)
 }
 }
 return result, nil
}

典型应用场景

• k8s 中，kubectl 通过访问者模式来处理用户定义的各类资源。
• 编译器中，通常使用访问者模式来实现对语法树解析，比如 LLVM。
• 希望对一个复杂的数据结构执行某些操作，并支持后续扩展。

优缺点

优点

• 数据结构和操作算法解耦，符合单一职责原则。
• 支持对数据结构扩展多种操作，具备较强的可扩展性，符合开闭原则。

缺点

• 访问者模式某种程度上，要求数据结构必须对外暴露其内在实现，否则访问者就无法遍历其中数据（可以结合迭代器模式来解决该问题）。
• 如果被访问对象内的数据结构变更，可能要更新所有的访问者实现。

与其他模式的关联

• 访问者模式 经常和迭代器模式一起使用，使得被访问对象无须向外暴露内在数据结构。
• 也经常和组合模式一起使用，比如在语法树解析中，递归访问和解析树的每个节点（节点组合成树）。

文章配图

可以在 用Keynote画出手绘风格的配图 中找到文章的绘图方法。

参考

[1] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：SOLID原则, 元闰子

[2] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：迭代器模式, 元闰子

[3] Design Patterns, Chapter 5. Behavioral Patterns, GoF

[4] GO 编程模式：K8S VISITOR 模式, 酷壳

[5] 访问者模式, refactoringguru.cn

 

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