备忘录模式应用场景也比较明确和有限,主要是用来防丢失、撤销、恢复等。
原理与实现
备忘录模式,也叫快照(Snapshot)模式,英文翻译是 Memento Design Pattern。在 GoF 的《设计模式》一书中,备忘录模式是这么定义的:
Captures and externalizes an object’s internal state so that it can be restored later, all without violating encapsulation.
翻译成中文就是:在不违背封装原则的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态,以便之后恢复对象为先前的状态。
在我看来,这个模式的定义主要表达了两部分内容。
一部分是,存储副本以便后期恢复。这一部分很好理解。
另一部分是,要在不违背封装原则的前提下,进行对象的备份和恢复。这部分不太好理解。
接下来,我就结合一个例子来解释一下,特别带你搞清楚这两个问题:
- 为什么存储和恢复副本会违背封装原则?
- 备忘录模式是如何做到不违背封装原则的?
假设有这样一道面试题,希望你编写一个小程序,可以接收命令行的输入。用户输入文本时,程序将其追加存储在内存文本中;用户输入“:list”,程序在命令行中输出内存文本的内容;用户输入“:undo”,程序会撤销上一次输入的文本,也就是从内存文本中将上次输入的文本删除掉。
我举了个小例子来解释一下这个需求,如下所示:
>hello
>:list
hello
>world
>:list
helloworld
>:undo
>:list
hello
怎么来编程实现呢?你可以打开 IDE 自己先试着编写一下,然后再看我下面的讲解。整体上来讲,这个小程序实现起来并不复杂。我写了一种实现思路,如下所示:
public class InputText {
private StringBuilder text = new StringBuilder();
public String getText() {
return text.toString();
}
public void append(String input) {
text.append(input);
}
public void setText(String text) {
this.text.replace(0, this.text.length(), text);
}
}
public class SnapshotHolder {
private Stack<InputText> snapshots = new Stack<>();
public InputText popSnapshot() {
return snapshots.pop();
}
public void pushSnapshot(InputText inputText) {
InputText deepClonedInputText = new InputText();
deepClonedInputText.setText(inputText.getText());
snapshots.push(deepClonedInputText);
}
}
public class ApplicationMain {
public static void main(String[] args) {
InputText inputText = new InputText();
SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNext()) {
String input = scanner.next();
if (input.equals(":list")) {
System.out.println(inputText.getText());
} else if (input.equals(":undo")) {
InputText snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();
inputText.setText(snapshot.getText());
} else {
snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText);
inputText.append(input);
}
}
}
}
实际上,备忘录模式的实现很灵活,也没有很固定的实现方式,在不同的业务需求、不同编程语言下,代码实现可能都不大一样。上面的代码基本上已经实现了最基本的备忘录的功能。
但是,如果我们深究一下的话,还有一些问题要解决,那就是前面定义中提到的第二点:要在不违背封装原则的前提下,进行对象的备份和恢复。
而上面的代码并不满足这一点,主要体现在下面两方面:
第一,为了能用快照恢复 InputText 对象,我们在 InputText 类中定义了 setText() 函数,但这个函数有可能会被其他业务使用,所以,暴露不应该暴露的函数违背了封装原则;
第二,快照本身是不可变的,理论上讲,不应该包含任何 set() 等修改内部状态的函数,但在上面的代码实现中,“快照“这个业务模型复用了 InputText 类的定义,而 InputText 类本身有一系列修改内部状态的函数,所以,用 InputText 类来表示快照违背了封装原则。
针对以上问题,我们对代码做两点修改。其一,定义一个独立的类(Snapshot 类)来表示快照,而不是复用 InputText 类。这个类只暴露 get() 方法,没有 set() 等任何修改内部状态的方法。其二,在 InputText 类中,我们把 setText() 方法重命名为 restoreSnapshot() 方法,用意更加明确,只用来恢复对象。
按照这个思路,我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示:
public class InputText {
private StringBuilder text = new StringBuilder();
public String getText() {
return text.toString();
}
public void append(String input) {
text.append(input);
}
public Snapshot createSnapshot() {
return new Snapshot(text.toString());
}
public void restoreSnapshot(Snapshot snapshot) {
this.text.replace(0, this.text.length(), snapshot.getText());
}
}
public class Snapshot {
private String text;
public Snapshot(String text) {
this.text = text;
}
public String getText() {
return this.text;
}
}
public class SnapshotHolder {
private Stack<Snapshot> snapshots = new Stack<>();
public Snapshot popSnapshot() {
return snapshots.pop();
}
public void pushSnapshot(Snapshot snapshot) {
snapshots.push(snapshot);
}
}
public class ApplicationMain {
public static void main(String[] args) {
InputText inputText = new InputText();
SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();
Scanner scanner = new Scanner(System.in);
while (scanner.hasNext()) {
String input = scanner.next();
if (input.equals(":list")) {
System.out.println(inputText.toString());
} else if (input.equals(":undo")) {
Snapshot snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();
inputText.restoreSnapshot(snapshot);
} else {
snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText.createSnapshot());
inputText.append(input);
}
}
}
}
实际上,上面的代码实现就是典型的备忘录模式的代码实现,也是很多书籍(包括 GoF 的《设计模式》)中给出的实现方法。
除了备忘录模式,还有一个跟它很类似的概念,“备份”,它在我们平时的开发中更常听到。那备忘录模式跟“备份”有什么区别和联系呢?实际上,这两者的应用场景很类似,都应用在防丢失、恢复、撤销等场景中。它们的区别在于,备忘录模式更侧重于代码的设计和实现,备份更侧重架构设计或产品设计。
如何优化内存和时间消耗?
如果要备份的对象数据比较大,备份频率又比较高,那快照占用的内存会比较大,备份和恢复的耗时会比较长。这个问题该如何解决呢?
不同的应用场景下有不同的解决方法。比如,我们前面举的那个例子,应用场景是利用备忘录来实现撤销操作,而且仅仅支持顺序撤销,也就是说,每次操作只能撤销上一次的输入,不能跳过上次输入撤销之前的输入。
在具有这样特点的应用场景下,为了节省内存,我们不需要在快照中存储完整的文本,只需要记录少许信息,比如在获取快照当下的文本长度,用这个值结合 InputText 类对象存储的文本来做撤销操作。
我们再举一个例子。假设每当有数据改动,我们都需要生成一个备份,以备之后恢复。如果需要备份的数据很大,这样高频率的备份,不管是对存储(内存或者硬盘)的消耗,还是对时间的消耗,都可能是无法接受的。
想要解决这个问题,我们一般会采用**“低频率全量备份”和“高频率增量备份”**相结合的方法。
全量备份就不用讲了,它跟我们上面的例子类似,就是把所有的数据“拍个快照”保存下来。所谓“增量备份”,指的是记录每次操作或数据变动。
当我们需要恢复到某一时间点的备份的时候,如果这一时间点有做全量备份,我们直接拿来恢复就可以了。如果这一时间点没有对应的全量备份,我们就先找到最近的一次全量备份,然后用它来恢复,之后执行此次全量备份跟这一时间点之间的所有增量备份,也就是对应的操作或者数据变动。这样就能减少全量备份的数量和频率,减少对时间、内存的消耗。
总结
- 备忘录模式也叫快照模式,具体来说,就是在不违背封装原则的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态,以便之后恢复对象为先前的状态。
- 这个模式的定义表达了两部分内容:一部分是,存储副本以便后期恢复;另一部分是,要在不违背封装原则的前提下,进行对象的备份和恢复。
- 备忘录模式的应用场景也比较明确和有限,主要是用来防丢失、撤销、恢复等。
- 备忘录模式更侧重于代码的设计和实现,备份更侧重架构设计或产品设计。
设计模式系列阅读目录
- 设计模式:创建型—单例模式
- 设计模式:创建型—原型模式
- 设计模式:创建型—工厂模式
- 设计模式:创建型—建造者模式
- 设计模式:结构型—享元模式
- 设计模式:结构型—组合模式
- 设计模式:结构型—代理模式
- 设计模式:结构型—桥接模式
- 设计模式:结构型—装饰器模式
- 设计模式:结构型—适配器模式
- 设计模式:结构型—门面模式
- 设计模式:行为型—中介模式
- 设计模式:行为型—命令模式
- 设计模式:行为型—备忘录模式
- 设计模式:行为型—模板模式
- 设计模式:行为型—状态模式
- 设计模式:行为型—策略模式
- 设计模式:行为型—职责链模式
- 设计模式:行为型—观察者模式
- 设计模式:行为型—解释器模式
- 设计模式:行为型—访问者模式
- 设计模式:行为型—迭代器模式