27.3 解释器模式的应用

27.3.1 解释器模式的优点

解释器是一个简单语法分析工具，它最显著的优点就是扩展性，修改语法规则只要修改相应的非终结符表达式就可以了，若扩展语法，则只要增加非终结符类就可以了。

27.3.2 解释器模式的缺点

• 解释器模式会引起类膨胀

每个语法都要产生一个非终结符表达式，语法规则比较复杂时，就可能产生大量的类文件，为维护带来了非常多的麻烦。

• 解释器模式采用递归调用方法

每个非终结符表达式只关心与自己有关的表达式，每个表达式需要知道最终的结果，必须一层一层地剥茧，无论是面向过程的语言还是面向对象的语言，递归都是在必要条件下使用的，它导致调试非常复杂。想想看，如果要排查一个语法错误，我们是不是要一个断点一个断点地调试下去，直到最小的语法单元。

• 效率问题

解释器模式由于使用了大量的循环和递归，效率是一个不容忽视的问题，特别是一用于解析复杂、冗长的语法时，效率是难以忍受的。

27.3.3 解释器模式使用的场景

• 重复发生的问题可以使用解释器模式

例如，多个应用服务器，每天产生大量的日志，需要对日志文件进行分析处理，由于各个服务器的日志格式不同，但是数据要素是相同的，按照解释器的说法就是终结符表达式都是相同的，但是非终结符表达式就需要制定了。在这种情况下，可以通过程序来一劳永逸地解决该问题。

• 一个简单语法需要解释的场景

为什么是简单？看看非终结表达式，文法规则越多，复杂度越高，而且类间还要进行递归调用（看看我们例子中的栈）。想想看，多个类之间的调用你需要什么样的耐心和信心去排查问题。因此，解释器模式一般用来解析比较标准的字符集，例如SQL语法分析，不过该部分逐渐被专用工具所取代。

在某些特用的商业环境下也会采用解释器模式，我们刚刚的例子就是一个商业环境，而且现在模型运算的例子非常多，目前很多商业机构已经能够提供出大量的数据进行分析。

27.3.4 解释器模式的注意事项

尽量不要在重要的模块中使用解释器模式，否则维护会是一个很大的问题。在项目中可以使用shell、JRuby、Groovy等脚本语言来代替解释器模式，弥补Java编译型语言的不足。我们在一个银行的分析型项目中就采用JRuby进行运算处理，避免使用解释器模式的四则运算，效率和性能各方面表现良好。

27.4 最佳实践

解释器模式在实际的系统开发中使用得非常少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题，一般在大中型的框架型项目能够找到它的身影，如一些数据分析工具、报表设计工具、 科学计算工具等，若你确实遇到“一种特定类型的问题发生的频率足够高”的情况，准备使用解释器模式时，可以考虑一下Expression4J、MESP（Math Expression String Parser）、Jep等开源的解析工具包（这三个开源产品都可以通过百度、Google搜索到，请读者自行查询）， 功能都异常强大，而且非常容易使用，效率也还不错，实现大多数的数学运算完全没有问题，自己没有必要从头开始编写解释器。有人已经建立了一条康庄大道，何必再走自己的泥泞小路呢？

29.4 最佳实践

大家对类的继承有什么看法吗？继承的优点有很多，可以把公共的方法或属性抽取，父类封装共性，子类实现特性，这是继承的基本功能。缺点有没有？有！即强侵入，父类有一个方法，子类也必须有这个方法。这是不可选择的，会带来扩展性的问题。我举个简单的例子来说明：Father类有一个方法A，Son继承了这个方法，然后GrandSon也继承了这个方法， 问题是突然有一天Son要重写父类的这个方法，他敢做吗？绝对不敢！GrandSon要用从Father 继承过来的方法A，如果你修改了，那就要修改Son和GrandSon之间的关系，那这个风险就太大了！

这里讲的这个桥梁模式就是这一问题的解决方法，桥梁模式描述了类间弱关联关系，还说上面的那个例子，Father类完全可以把可能会变化的方法放出去，Son子类要拥有这个方法很简单，桥梁搭过去，获得这个方法，GrandSon也一样，即使你Son子类不想使用这个方法也没关系，对GrandSon不产生影响，它不是从Son中继承来的方法！

不能说继承不好，它非常好，但是有缺点，我们可以扬长避短，对于比较明确不发生变化的，则通过继承来完成；若不能确定是否会发生变化的，那就认为是会发生变化，则通过桥梁模式来解决，这才是一个完美的世界。

29.3 桥梁模式的应用

• 抽象和实现分离

这也是桥梁模式的主要特点，它完全是为了解决继承的缺点而提出的设计模式。在该模式下，实现可以不受抽象的约束，不用再绑定在一个固定的抽象层次上。

• 优秀的扩充能力

看看我们的例子，想增加实现？没问题！想增加抽象，也没有问题！只要对外暴露的接口层允许这样的变化，我们已经把变化的可能性减到最小。

• 实现细节对客户透明

客户不用关心细节的实现，它已经由抽象层通过聚合关系完成了封装。

29.3.2 桥梁模式的使用场景

• 不希望或不适用使用继承的场景

例如继承层次过渡、无法更细化设计颗粒等场景，需要考虑使用桥梁模式。

• 接口或抽象类不稳定的场景

明知道接口不稳定还想通过实现或继承来实现业务需求，那是得不偿失的，也是比较失败的做法。

• 重用性要求较高的场景

设计的颗粒度越细，则被重用的可能性就越大，而采用继承则受父类的限制，不可能出现太细的颗粒度。

29.3.3 桥梁模式的注意事项

桥梁模式是非常简单的，使用该模式时主要考虑如何拆分抽象和实现，并不是一涉及继承就要考虑使用该模式，那还要继承干什么呢？桥梁模式的意图还是对变化的封装，尽量把可能变化的因素封装到最细、最小的逻辑单元中，避免风险扩散。因此读者在进行系统设计时，发现类的继承有N层时，可以考虑使用桥梁模式。

28.5 最佳实践

Flyweight是拳击比赛中的特用名词，意思是“特轻量级”，指的是51公斤级比赛，用到设 计模式中是指我们的类要轻量级，粒度要小，这才是它要表达的意思。粒度小了，带来的问 题就是对象太多，那就用共享技术来解决。

享元模式在Java API中也是随处可见，如这样的程序就是一个很好的例子，如代码清单28-17所示。

代码清单28-17 API中的享元模式

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public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        String str1 = "和谐";
        String str2 = "社会";
        String str3 = "和谐社会";
        String str4;
        str4 = str1 + str2;
        System.out.println(str3 == str4);
        str4 = (str1 + str2).intern();
        System.out.println(str3 == str4);
    }
}

看看Java的帮助文件中String类的intern方法。如果是String的对象池中有该类型的值，则直接返回对象池中的对象，那当然相等了。

需要说明一下的是，虽然可以使用享元模式可以实现对象池，但是这两者还是有比较大的差异，对象池着重在对象的复用上，池中的每个对象是可替换的，从同一个池中获得A对象和B对象对客户端来说是完全相同的，它主要解决复用，而享元模式在主要解决的对象的共享问题，如何建立多个可共享的细粒度对象则是其关注的重点。

28.4 享元模式的扩展

28.4.1 线程安全的问题

线程安全是一个老生常谈的话题，只要使用Java开发都会遇到这个问题，我们之所以要在今天的享元模式中提到该问题，是因为该模式有太大的几率发生线程不安全，为什么呢？

我们还以报考系统为例来说明这个问题。大家有没有想过，为什么要以考试科目+考试地点作为外部状态呢？为什么不能以考试科目或者考试地点作为外部状态呢？这样池中的对象会更少！可以！完全可以！我们把程序以考试科目为外部状态，把享元工厂稍作修改，如代码清单28-10所示。

代码清单28-10 报考信息工厂

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public class SignInfoFactory {
    //池容器
    private static HashMap<String,SignInfo> pool = new HashMap<String,SignInfo>();
    //从池中获得对象
    public static SignInfo getSignInfo(String key){
        //设置返回对象
        SignInfo result = null;
        //池中没有该对象，则建立，并放入池中
        if(!pool.containsKey(key)){
            result = new SignInfo();
            pool.put(key, result);
        }
        else{
            result = pool.get(key);
        }
        return result;
    }
}

下面做很小的改动，只修改了黑色字体部分。为了展示多线程的情况，我们写一个多线程的类，如代码清单28-11所示。

代码清单28-11 多线程场景

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public class MultiThread extends Thread {
    private SignInfo signInfo;
    public MultiThread(SignInfo _signInfo){
        
        this.signInfo = _signInfo;
    }
    public void run(){
        if(!signInfo.getId().equals(signInfo.getLocation())){
            System.out.println("编号："+signInfo.getId());
            System.out.println("考试地址："+signInfo.getLocation());
            System.out.println("线程不安全了！");
        }
    }
}

在run方法中判断特殊值，检查是否是线程安全，我们来看看场景类，如代码清单28-12 所示。

代码清单28-12 场景类

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public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //在对象池中初始化4个对象
        SignInfoFactory.getSignInfo("科目1");
        SignInfoFactory.getSignInfo("科目2");
        SignInfoFactory.getSignInfo("科目3");
        SignInfoFactory.getSignInfo("科目4");
        //取得对象
        SignInfo signInfo = SignInfoFactory.getSignInfo("科目2");
        while(true){
            signInfo.setId("ZhangSan");
            signInfo.setLocation("ZhangSan");
            (new MultiThread(signInfo)).start();
            signInfo.setId("LiSi");
            signInfo.setLocation("LiSi");
            (new MultiThread(signInfo)).start();
        }
    }
}

模拟实际的多线程情况，在对象池中我们保留4个对象，然后启动N多个线程来模拟， 我们马上就看到如下的提示：

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编号：LiSi 
考试地址：ZhangSan 
线程不安全了！

看看，线程不安全了吧，这是正常的，设置的享元对象数量太少，导致每个线程都到对象池中获得对象，然后都去修改其属性，于是就出现一些不和谐数据。只要使用Java开发，线程问题是不可避免的，那我们怎么去避免这个问题呢？享元模式是让我们使用共享技术， 而Java的多线程又有如此问题，该如何设计呢？没什么可以参考的标准，只有依靠经验，在需要的地方考虑一下线程安全，在大部分的场景下都不用考虑。我们在使用享元模式时，对象池中的享元对象尽量多，多到足够满足业务为止。

28.4.2 性能平衡

尽量使用Java基本类型作为外部状态。在报考系统中，我们不考虑系统的修改风险，完全可以重新建立一个类作为外部状态，因为这才完全符合面向对象编程的理念。好，我们实现处理，先看类图，如图28-4所示。

我们首先来看ExtrinsicState外部状态类，如代码清单28-13所示。

代码清单28-13 外部状态类

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public class ExtrinsicState {
    //考试科目
    private String subject;
    //考试地点
    private String location;
    public String getSubject() {
        return subject;
    }
    public void setSubject(String subject) {
        
        this.subject = subject;
    }
    public String getLocation() {
        return location;
    }
    public void setLocation(String location) {
        this.location = location;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object obj){
        if(obj instanceof ExtrinsicState){
            ExtrinsicState state = (ExtrinsicState)obj;
            return state.getLocation().equals(location) && state.getSubject().equals(subject);
        }
        return false;
    }
    @Override
    public int hashCode(){
        return subject.hashCode() + location.hashCode();
    }
}

注意，一定要覆写equals和hashCode方法，否则它作为HashMap中的key值是根本没有意义的，只有hashCode值相等，并且equals返回结果为true，两个对象才相等，也只有在这种情况下才有可能从对象池中查找获得对象。

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注意 如果把一个对象作为Map类的键值，一定要确保重写了equals和hashCode方法， 否则会出现通过键值搜索失败的情况，例如map.get(object)、map.contains(object)等会返回失败的结果。

SignInfo的修改较小，仅在SignInfo中引入该ExtrinsicState外部状态对象，在此不再赘述。 我们再来看享元工厂，它是以ExtrinsicState类作为外部状态，如代码清单28-14所示。

代码清单28-14 享元工厂

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public class SignInfoFactory {
    //池容器
    private static HashMap<ExtrinsicState,SignInfo> pool = new HashMap <ExtrinsicState,SignInfo>();
    //从池中获得对象
    public static SignInfo getSignInfo(ExtrinsicState key){
        //设置返回对象
        SignInfo result = null;
        //池中没有该对象，则建立，并放入池中
        if(!pool.containsKey(key)){
            result = new SignInfo();
            pool.put(key, result);
        }
        else{
            result = pool.get(key);
        }
        return result;
    }
}

重点是看看我们的场景类，我们来测试一下性能差异，如代码清单28-15所示。

代码清单28-15 场景类

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public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //初始化对象池
        ExtrinsicState state1 = new ExtrinsicState();
        state1.setSubject("科目1");
        state1.setLocation("上海");
        SignInfoFactory.getSignInfo(state1);
        ExtrinsicState state2 = new ExtrinsicState();
        state2.setSubject("科目1");
        state2.setLocation("上海");
        //计算执行100万次需要的时间
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        for(int i=0;i<1000000;i++){
            SignInfoFactory.getSignInfo(state2);
        }
        long tailTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间："+(tailTime - currentTime) + " ms");
    }
}

运行结果如下所示：

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执行时间：172 ms

同样，我们看看以String类型作为外部状态的运行情况，如代码清单28-16所示。

代码清单28-16 场景类

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public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        String key1 = "科目1上海";
        String key2 = "科目1上海";
        //初始化对象池
        SignInfoFactory.getSignInfo(key1);
        //计算执行10万次需要的时间
        long currentTime = System.currentTimeMillis();
        
        for(int i=0;i<10000000;i++){
            SignInfoFactory.getSignInfo(key2);
        }
        long tailTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("执行时间："+(tailTime - currentTime) + " ms");
    }
}

运行结果如下所示：

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执行时间：78 ms

看到没？一半的效率，这还是非常简单的享元对象，看看我们重写的equals方法和hashCode方法，这段代码是必须实现的，如果比较复杂，这个时间差异会更大。

各位，想想看，使用自己编写的类作为外部状态，必须覆写equals方法和hashCode方法，而且执行效率还比较低，这种吃力不讨好的事情最好别做，外部状态最好以Java的基本类型作为标志，如String、int等，可以大幅地提升效率。

28.3 享元模式的应用

28.3.1 享元模式的优点和缺点

享元模式是一个非常简单的模式，它可以大大减少应用程序创建的对象，降低程序内存的占用，增强程序的性能，但它同时也提高了系统复杂性，需要分离出外部状态和内部状态，而且外部状态具有固化特性，不应该随内部状态改变而改变，否则导致系统的逻辑混乱。

28.3.2 享元模式的使用场景

在如下场景中则可以选择使用享元模式。

• 系统中存在大量的相似对象。
• 细粒度的对象都具备较接近的外部状态，而且内部状态与环境无关，也就是说对象没 有特定身份。
• 需要缓冲池的场景。

26.4 最佳实践

上面的例子可能比较复杂，请各位看官耐心看，看完肯定有所收获。我翻遍了所有能找得到的资料（关于这个电梯的例子也是由《Design Pattern for Dummies》这本书激发出来的），基本上没有一本把这个状态模式讲透彻的（当然，还是有几本讲得不错），我不敢说我就讲得透彻，大家都只讲了一个状态到另一个状态的过渡。状态间的过渡是固定的，举个简单的例子，如图26-6所示。

这个状态图是很多书上都有的，状态A只能切换到状态B，状态B再切换到状态C。举例最多的就是TCP监听的例子。TCP有3个状态：等待状态、连接状态、断开状态，然后这3个状态按照顺序循环切换。按照这个状态变更来讲解状态模式，我认为是不太合适的，为什么呢？你在项目中很少看到一个状态只能过渡到另一个状态情形，项目中遇到的大多数情况都是一个状态可以转换为几种状态，如图26-7所示。

再提一个问题，状态间的自由切换，那会有很多种呀，你要挨个去牢记一遍吗？比如上面那个电梯的例子，我要一个正常的电梯运行逻辑，规则是开门->关门->运行->停止；还要一个紧急状态（如火灾）下的运行逻辑，关门->停止，紧急状态时，电梯当然不能用了；再要一个维修状态下的运行逻辑，这个状态任何情况都可以，开着门电梯运行？可以！门来回开关？可以！永久停止不动？可以！那这怎么实现呢？需要我们把已经有的几种状态按照一定的顺序再重新组装一下，那这个是什么模式？什么模式？大声点！建造者模式！对，建造模式+状态模式会起到非常好的封装作用。

更进一步，应该有部分读者做过工作流开发，如果不是土制框架，那么就应该有个状态机管理（即使是土制框架也应该有），如一个Activity（节点）有初始化状态（Initialized State）、挂起状态（Suspended State）、完成状态（Completed State）等，流程实例也有这么多状态，那这些状态怎么管理呢？通过状态机（State Machine）来管理，那状态机是个什么东西呢？就是我们上面提到的Context类的升级变态BOSS！

26.3 状态模式的应用

26.3.1 状态模式的优点

• 结构清晰

避免了过多的switch…case或者if…else语句的使用，避免了程序的复杂性,提高系统的可维护性。

• 遵循设计原则

很好地体现了开闭原则和单一职责原则，每个状态都是一个子类，你要增加状态就要增加子类，你要修改状态，你只修改一个子类就可以了。

• 封装性非常好

这也是状态模式的基本要求，状态变换放置到类的内部来实现，外部的调用不用知道类内部如何实现状态和行为的变换。

26.3.2 状态模式的缺点

状态模式既然有优点，那当然有缺点了。但只有一个缺点，子类会太多，也就是类膨胀。如果一个事物有很多个状态也不稀奇，如果完全使用状态模式就会有太多的子类，不好管理，这个需要大家在项目中自己衡量。其实有很多方式可以解决这个状态问题，如在数据库中建立一个状态表，然后根据状态执行相应的操作，这个也不复杂，看大家的习惯和嗜好了。

26.3.3 状态模式的使用场景

• 行为随状态改变而改变的场景

这也是状态模式的根本出发点，例如权限设计，人员的状态不同即使执行相同的行为结果也会不同，在这种情况下需要考虑使用状态模式。

• 条件、分支判断语句的替代者

在程序中大量使用switch语句或者if判断语句会导致程序结构不清晰，逻辑混乱，使用状态模式可以很好地避免这一问题，它通过扩展子类实现了条件的判断处理。

26.3.4 状态模式的注意事项

状态模式适用于当某个对象在它的状态发生改变时，它的行为也随着发生比较大的变化，也就是说在行为受状态约束的情况下可以使用状态模式，而且使用时对象的状态最好不要超过5个。

25.5 最佳实践

访问者模式是一种集中规整模式，特别适用于大规模重构的项目，在这一个阶段需求已经非常清晰，原系统的功能点也已经明确，通过访问者模式可以很容易把一些功能进行梳理，达到最终目的——功能集中化，如一个统一的报表运算、UI展现等，我们还可以与其他模式混编建立一套自己的过滤器或者拦截器，请大家参考混编模式的相关章节。