泛型化的策略模式設(shè)計(jì)

摘 要： 按照GoF的“為變化進(jìn)行設(shè)計(jì)”的原則，以匹配度算法的選擇問題為實(shí)例，將泛型編程技術(shù)應(yīng)用于策略模式設(shè)計(jì)中。首先通過對(duì)低層設(shè)計(jì)的重構(gòu)，從諸多匹配度算法中抽取共有的部分，將其泛化為簡(jiǎn)單的函數(shù)對(duì)象，并用這些函數(shù)對(duì)象作為策略模式中的具體策略；再利用泛型技術(shù)構(gòu)建抽象策略和上下文引用關(guān)系。這樣的設(shè)計(jì)很好地解決了策略模式設(shè)計(jì)中的代碼重用和泛化問題。

關(guān)鍵詞： 策略模式； 重構(gòu)； 泛型程序設(shè)計(jì)； 匹配度算法

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）17?0159?04

0 引 言

面向?qū)ο笠呀?jīng)成為軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的主流技術(shù)，它有很多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也有自身難以克服的內(nèi)在弱點(diǎn)。例如，直接用類（Class）作為問題域中的基本抽象和程序設(shè)計(jì)單位，將概念映射成對(duì)象類的方法在本質(zhì)上是非常受限和不足的，這種抽象方法常常導(dǎo)致過于約束的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中缺乏通用性和運(yùn)行效率[1]。許多基于OOP的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法庫(kù)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)都帶有諸多缺陷和不足，適應(yīng)不了用戶遇到的各式各樣的數(shù)據(jù)類型（尤其是原始類型和導(dǎo)出類型），并且效率難以提高。

設(shè)計(jì)模式是面向?qū)ο箢I(lǐng)域?yàn)閷?shí)現(xiàn)高級(jí)代碼復(fù)用而總結(jié)出來的各種方案，設(shè)計(jì)模式的目標(biāo)是使對(duì)在特定環(huán)境中良好工作的設(shè)計(jì)能在相似的環(huán)境中被再一次應(yīng)用。然而，設(shè)計(jì)模式同樣無法擺脫面向?qū)ο蠊逃械念B疾[2]。

重構(gòu)是一種保持行為的轉(zhuǎn)換。重構(gòu)過程包括去除重復(fù)、簡(jiǎn)化復(fù)雜邏輯和澄清模糊代碼。重構(gòu)的目的是使設(shè)計(jì)模式的實(shí)現(xiàn)更具有靈活性、有效性和可維護(hù)性。設(shè)計(jì)模式是目的，重構(gòu)則是手段；設(shè)計(jì)模式是重構(gòu)的結(jié)果，并為重構(gòu)提供了目標(biāo)[3]。然而，重構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)模式的技術(shù)在設(shè)計(jì)模式泛化方面仍然存在問題[4]。

正是針對(duì)上述不足，泛型程序設(shè)計(jì)（Generic Programming，GP）應(yīng)運(yùn)而生。GP是一種以需求為中心的程序設(shè)計(jì)范式，作為面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)技術(shù)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，能夠克服先前程序設(shè)計(jì)中的所有主要困難，實(shí)現(xiàn)真正的通用和高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法庫(kù)[5?6]。然而，國(guó)內(nèi)目前對(duì)泛型程序設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用主要是通過一些泛型程序庫(kù)（Standard Template Library，STL）的譯著來引進(jìn)和介紹泛型程序設(shè)計(jì)的基本思想和方法[2]。

本文的研究目的是探討如何將設(shè)計(jì)模式、重構(gòu)技術(shù)、泛型程序設(shè)計(jì)技術(shù)等有機(jī)地結(jié)合起來，使設(shè)計(jì)模式更加泛化。在本文的實(shí)踐中將策略模式、函數(shù)作為對(duì)象和泛型程序設(shè)計(jì)及重構(gòu)的思想結(jié)合起來，以模糊識(shí)別系統(tǒng)中的多種匹配度算法的選擇為實(shí)例，做到了為變化進(jìn)行模式設(shè)計(jì)的目的。通過對(duì)低層設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換，利用重構(gòu)改進(jìn)策略模式，利用Java SE5提出的泛型方法設(shè)計(jì)策略模式，使策略模式更加泛化。實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)客戶要求，動(dòng)態(tài)組合生成匹配度算法。不但使算法的選擇和算法的實(shí)現(xiàn)相分離，去除了大量的重復(fù)代碼，澄清了代碼的意圖，而且也容易增加新的算法，獲得了更好的靈活性。

1 將匹配度算法重構(gòu)為策略模式

在設(shè)計(jì)一個(gè)模糊識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，通常有多種匹配度算法供選擇。例如：貼近度算法、語義距離算法（如：海明距離、歐幾里德距離、切比雪夫距離、明可夫斯基距離）和相似度算法（如：最大最小法、算術(shù)平均法、幾何平均法、指數(shù)法、相關(guān)系數(shù)法）等。當(dāng)客戶發(fā)出需要某種算法的請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)客戶發(fā)出的請(qǐng)求或被處理的數(shù)據(jù)對(duì)算法做出選擇。解決這個(gè)問題的設(shè)計(jì)模式可以使用圖1所示的策略模式[7?8]。在圖1中的每一個(gè)具體策略（Concrete Strategy）就是一個(gè)對(duì)象類的方法。然而，就匹配度問題而言，可以看到，如果直接使用策略模式，則封裝了相關(guān)算法的每一個(gè)具體策略角色中將出現(xiàn)大量重復(fù)代碼，使系統(tǒng)非常臃腫。

為了降低對(duì)系統(tǒng)的整體影響，減少子系統(tǒng)之間的相互依賴關(guān)系，使得復(fù)用更加靈活，GoF為變化進(jìn)行設(shè)計(jì)的原則[8]中有：“針對(duì)接口編程，而不是針對(duì)實(shí)現(xiàn)編程”；“優(yōu)先使用對(duì)象組合，而不是類繼承”；“考慮設(shè)計(jì)中哪些是可變的，進(jìn)行封裝”。使用這種設(shè)計(jì)原則不但可以減少重復(fù)代碼，而且在處理新的需要時(shí)，不會(huì)使設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的開銷嚴(yán)重增大。從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)內(nèi)聚，松耦合設(shè)計(jì)目的。

2 匹配度算法的泛型策略模式設(shè)計(jì)

策略模式屬于對(duì)象的行為模式，其用意是針對(duì)一組算法，將每一個(gè)算法封裝到具有共同接口的獨(dú)立的類中，從而使得它們可以相互替換，算法的增加不會(huì)改變未增加算法前的客戶端的調(diào)用代碼。策略模式設(shè)計(jì)包括定義抽象策略角色、環(huán)境角色和具體策略角色三個(gè)步驟。非泛型的策略模式的設(shè)計(jì)的主要問題是對(duì)封裝的算法進(jìn)行限制，使得抽象策略角色、環(huán)境角色的通用性、靈活性和擴(kuò)展性都比較差。為解決這些不足，可將策略模式改進(jìn)為泛型策略模式。選擇匹配度算法的泛型策略模式設(shè)計(jì)如下：

2.1 定義具體策略角色

2.2 定義具有泛型的抽象策略角色

2.3 定義具有泛型的環(huán)境角色

環(huán)境角色（Context）通過泛型抽象策略角色接口來調(diào)用具體策略類。Context通過類型為Strategy的引用使用特定的Concrete Strategy。設(shè)計(jì)Context角色是組合對(duì)象，針對(duì)接口編程的過程，是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。Context作為上下文類，如圖1所示，對(duì)上與客戶端交互，對(duì)下與Strategy交互。當(dāng)客戶端選擇一個(gè)Concrete Strategy類的對(duì)象后，則把它傳遞給Context類的對(duì)象，然后，Context類的對(duì)象把客戶端的請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給Strategy。

3 應(yīng)用舉例

4 結(jié) 論

本文采用泛型策略模式解決匹配度算法的選擇問題，其特點(diǎn)是將設(shè)計(jì)模式、重構(gòu)技術(shù)、泛型技術(shù)及為變化進(jìn)行模式設(shè)計(jì)的技術(shù)相結(jié)合，用函數(shù)對(duì)象作為具體策略，對(duì)設(shè)計(jì)中的可變對(duì)象進(jìn)行封裝，再利用重構(gòu)思想改進(jìn)具體策略。用泛型技術(shù)使抽象策略角色的設(shè)計(jì)和環(huán)境角色的設(shè)計(jì)更加泛化。在環(huán)境角色的設(shè)計(jì)中，通過組合對(duì)象、針對(duì)接口編程和使用泛型的編程方法，實(shí)現(xiàn)了算法的選擇和算法的實(shí)現(xiàn)相分離。通過兩個(gè)循環(huán)設(shè)計(jì)不但解決了任意選用函數(shù)對(duì)象的問題，而且解決了泛型集合的運(yùn)算問題。該設(shè)計(jì)消除了選擇所需要的匹配算法的條件語句，可以很方便地動(dòng)態(tài)改變算法或行為。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，代碼簡(jiǎn)單，重復(fù)代碼少，通用性、靈活性好，泛化強(qiáng)度高，具有更好的應(yīng)用價(jià)值。

泛型策略模式的缺點(diǎn)是策略模式造成很多的具體策略類；客戶端必須知道所有的具體策略類，并自行決定使用哪一個(gè)具體策略類。這就意味著客戶端必須理解這些算法的區(qū)別，以便適時(shí)選擇恰當(dāng)?shù)乃惴ā?/p>

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：朱仙芝 女，1963年出生，實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用。