设计模式-访问者模式

发表于 分类于 本文字数： 15k 阅读时长 ≈ 13 分钟

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 PPTFile extends ResourceFile {
  public PPTFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...省略一大坨从PPT中抽取文本的代码...
    //...将抽取出来的文本保存在跟filePath同名的.txt文件中...
    System.out.println("Extract PPT.");
  }
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...
    System.out.println("Extract PDF.");
  }
}

public class WordFile extends ResourceFile {
  public WordFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public void extract2txt() {
    //...
    System.out.println("Extract WORD.");
  }
}

// 运行结果是：
// Extract PDF.
// Extract WORD.
// Extract PPT.
public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.extract2txt();
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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;
  }
}

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(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      extractor.extract2txt(resourceFile);// 编译报错
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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;
  }
}

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 37 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 35～38 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？

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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(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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;
  }
}

在执行第 30 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 16 行代码。而 16 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(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }

    Compressor compressor = new Compressor();
    for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(compressor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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。

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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(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(extractor);
    }

    Compressor compressor = new Compressor();
    for(ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      resourceFile.accept(compressor);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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;
  }
}

重新来看访问者模式

访问者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：

Allows for one or more operation to be applied to a set of objects at runtime, decoupling the operations from the object structure.

翻译成中文就是：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。定义比较简单，结合前面的例子不难理解，我就不过多解释了。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。

访问者模式类图

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。

为什么支持双分派的语言不需要访问者模式？

实际上，讲到访问者模式，大部分书籍或者资料都会讲到 Double Dispatch，中文翻译为双分派。

既然有 Double Dispatch，对应的就有 Single Dispatch。

Single Dispatch

指的是执行哪个对象的方法，根据对象的运行时类型来决定；执行对象的哪个方法，根据方法参数的编译时类型来决定。

Double Dispatch

指的是执行哪个对象的方法，根据对象的运行时类型来决定；执行对象的哪个方法，根据方法参数的运行时类型来决定。

如何理解“Dispatch”这个单词呢？ 在面向对象编程语言中，我们可以把方法调用理解为一种消息传递，也就是“Dispatch”。一个对象调用另一个对象的方法，就相当于给它发送一条消息。这条消息起码要包含对象名、方法名、方法参数。

如何理解“Single”“Double”这两个单词呢？“Single”“Double”指的是执行哪个对象的哪个方法，跟几个因素的运行时类型有关。我们进一步解释一下。Single Dispatch 之所以称为“Single”，是因为执行哪个对象的哪个方法，只跟“对象”的运行时类型有关。Double Dispatch 之所以称为“Double”，是因为执行哪个对象的哪个方法，跟“对象”和“方法参数”两者的运行时类型有关。

具体到编程语言的语法机制，Single Dispatch 和 Double Dispatch 跟多态和函数重载直接相关。当前主流的面向对象编程语言（比如，Java、C++、C#）都只支持 Single Dispatch，不支持 Double Dispatch。

Java 支持多态特性，代码可以在运行时获得对象的实际类型（也就是前面提到的运行时类型），然后根据实际类型决定调用哪个方法。尽管 Java 支持函数重载，但 Java 设计的函数重载的语法规则是，并不是在运行时，根据传递进函数的参数的实际类型，来决定调用哪个重载函数，而是在编译时，根据传递进函数的参数的声明类型（也就是前面提到的编译时类型），来决定调用哪个重载函数。也就是说，具体执行哪个对象的哪个方法，只跟对象的运行时类型有关，跟参数的运行时类型无关。所以，Java 语言只支持 Single Dispatch。

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public class ParentClass {
  public void f() {
    System.out.println("I am ParentClass's f().");
  }
}

public class ChildClass extends ParentClass {
  public void f() {
    System.out.println("I am ChildClass's f().");
  }
}

public class SingleDispatchClass {
  public void polymorphismFunction(ParentClass p) {
    p.f();
  }

  public void overloadFunction(ParentClass p) {
    System.out.println("I am overloadFunction(ParentClass p).");
  }

  public void overloadFunction(ChildClass c) {
    System.out.println("I am overloadFunction(ChildClass c).");
  }
}

public class DemoMain {
  public static void main(String[] args) {
    SingleDispatchClass demo = new SingleDispatchClass();
    ParentClass p = new ChildClass();
    demo.polymorphismFunction(p);//执行哪个对象的方法，由对象的实际类型决定
    demo.overloadFunction(p);//执行对象的哪个方法，由参数对象的声明类型决定
  }
}

//代码执行结果:
I am ChildClass's f().
I am overloadFunction(ParentClass p).

在上面的代码中，第 31 行代码的 polymorphismFunction() 函数，执行 p 的实际类型的 f() 函数，也就是 ChildClass 的 f() 函数。第 32 行代码的 overloadFunction() 函数，匹配的是重载函数中的 overloadFunction(ParentClass p)，也就是根据 p 的声明类型来决定匹配哪个重载函数。

除了访问者模式，上面的例子还有其他实现方案吗？

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。我们要开发一个工具来处理这批资源文件，这其中就包含抽取文本内容、压缩资源文件、提取文件元信息等。实际上，开发这个工具有很多种代码设计和实现思路。

实际上，我们还可以利用工厂模式来实现，定义一个包含 extract2txt() 接口函数的 Extractor 接口。PdfExtractor、PPTExtractor、WordExtractor 类实现 Extractor 接口，并且在各自的 extract2txt() 函数中，分别实现 Pdf、PPT、Word 格式文件的文本内容抽取。ExtractorFactory 工厂类根据不同的文件类型，返回不同的 Extractor。

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public abstract class ResourceFile {
  protected String filePath;
  public ResourceFile(String filePath) {
    this.filePath = filePath;
  }
  public abstract ResourceFileType getType();
}

public class PdfFile extends ResourceFile {
  public PdfFile(String filePath) {
    super(filePath);
  }

  @Override
  public ResourceFileType getType() {
    return ResourceFileType.PDF;
  }

  //...
}

//...PPTFile/WordFile跟PdfFile代码结构类似，此处省略...

public interface Extractor {
  void extract2txt(ResourceFile resourceFile);
}

public class PdfExtractor implements Extractor {
  @Override
  public void extract2txt(ResourceFile resourceFile) {
    //...
  }
}

//...PPTExtractor/WordExtractor跟PdfExtractor代码结构类似，此处省略...

public class ExtractorFactory {
  private static final Map<ResourceFileType, Extractor> extractors = new HashMap<>();
  static {
    extractors.put(ResourceFileType.PDF, new PdfExtractor());
    extractors.put(ResourceFileType.PPT, new PPTExtractor());
    extractors.put(ResourceFileType.WORD, new WordExtractor());
  }

  public static Extractor getExtractor(ResourceFileType type) {
    return extractors.get(type);
  }
}

public class ToolApplication {
  public static void main(String[] args) {
    List<ResourceFile> resourceFiles = listAllResourceFiles(args[0]);
    for (ResourceFile resourceFile : resourceFiles) {
      Extractor extractor = ExtractorFactory.getExtractor(resourceFile.getType());
      extractor.extract2txt(resourceFile);
    }
  }

  private static List<ResourceFile> listAllResourceFiles(String resourceDirectory) {
    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;
  }
}

当需要添加新的功能的时候，比如压缩资源文件，类似抽取文本内容功能的代码实现，我们只需要添加一个 Compressor 接口，PdfCompressor、PPTCompressor、WordCompressor 三个实现类，以及创建它们的 CompressorFactory 工厂类即可。唯一需要修改的只有最上层的 ToolApplication 类。基本上符合“对扩展开放、对修改关闭”的设计原则。

对于资源文件处理工具这个例子，如果工具提供的功能并不是非常多，只有几个而已，那我更推荐使用工厂模式的实现方式，毕竟代码更加清晰、易懂。相反，如果工具提供非常多的功能，比如有十几个，那我更推荐使用访问者模式，因为访问者模式需要定义的类要比工厂模式的实现方式少很多，类太多也会影响到代码的可维护性。