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设计模式之【备忘录模式】，“后悔药”是可以有的

秃了也弱了。 2024-06-17 11:28:30
简介设计模式之【备忘录模式】，“后悔药”是可以有的

文章目录

一、什么是备忘录模式

备忘录模式（Memento Pattern）又称为快照模式（Snapshot Pattern）或令牌模式（Token Pattern），是指在不破坏封装的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态，属于行为型模式。

在软件系统中，备忘录模式可以为我们提供一种“后悔药”的机制，它通过存储系统各个历史状态的快照，使得我们可以在任一时刻将系统回滚到某一个历史状态。

备忘录模式本质是从发起人实体类（Originator）隔离存储功能，降低实体类的职责。同时由于存储信息（Memento）独立，且存储信息的实体交由管理类（Caretaker）管理，则可以通过为管理类扩展额外的功能对存储信息进行扩展操作（比如增加历史快照功能）。

1、备忘录模式使用场景

  • 需要保存历史快照的场景。
  • 希望在对象之外保存状态，且除了自己其他类对象无法访问状态保存具体内容。

比如，玩游戏时的中间结果的存档功能、如 Word、记事本、Photoshop，idea等软件在编辑时按Ctrl+Z 组合键，还有数据库中事务操作。

2、备忘录模式优缺点

优点：

  • 提供了一种可以恢复状态的机制。当用户需要时能够比较方便地将数据恢复到某个历史的状态。
  • 实现了内部状态的封装。除了创建它的发起人之外，其他对象都不能够访问这些状态信息。
  • 简化了发起人类。发起人不需要管理和保存其内部状态的各个备份，所有状态信息都保存在备忘录中，并由管理者进行管理，这符合单一职责原则。

缺点：

  • 资源消耗大。如果要保存的内部状态信息过多或者特别频繁，将会占用比较大的内存资源。
  • 如果需要保存的状态过多时，每一次保存都会消耗很多内存。

3、备忘录模式的三大角色

在这里插入图片描述
备忘录模式的主要角色如下：

  • 发起人（Originator）角色：记录当前时刻的内部状态信息，提供创建备忘录和恢复备忘录数据的功能，实现其他业务功能，它可以访问备忘录里的所有信息。
  • 备忘录（Memento）角色：负责存储发起人的内部状态，在需要的时候提供这些内部状态给发起人，且防止发起人以外的对象访问。
  • 管理者（Caretaker）角色：对备忘录进行管理，提供保存与获取备忘录的功能，但其不能对备忘录的内容进行访问与修改。

4、白箱备忘录和黑箱备忘录

备忘录有两个等效的接口：

  • 窄接口：管理者(Caretaker)对象（和其他发起人对象之外的任何对象）看到的是备忘录的窄接口(narror Interface)，这个窄接口只允许他把备忘录对象传给其他的对象。
  • 宽接口：与管理者看到的窄接口相反，发起人对象可以看到一个宽接口(wide Interface)，这个宽接口允许它读取所有的数据，以便根据这些数据恢复这个发起人对象的内部状态。

白箱备忘录使用的就是宽接口，白箱备忘录模式是破坏封装性的。但是通过程序员自律，同样可以在一定程度上实现模式的大部分用意。

黑箱备忘录使用的是窄接口，将备忘录角色封装在发起人角色的内部形成一个私有的内部类，并实现窄接口。管理者只管理窄接口，这样可以屏蔽备忘录角色的细节。

5、思考：备份频率快，备份对象大的备忘录应该如何设计

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。

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。

其实很多设计原则和设计思想都是互通的，mysql的备份与恢复、redis的备份与恢复都是参考了这种实现原理。

二、实例

1、备忘录模式的一般写法

// 发起人角色
public class Originator {
    // 内部状态
    private String state;

    public String getState() {
        return this.state;
    }

    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }

    // 创建一个备忘录
    public Memento createMemento() {
        return new Memento(this.state);
    }

    // 从备忘录恢复
    public void restoreMemento(Memento memento) {
        this.setState(memento.getState());
    }
}

// 备忘录角色
public class Memento {
    private String state;

    public Memento(String state){
        this.state = state;
    }

    public String getState() {
        return this.state;
    }

    public void setState(String state) {
        this.state = state;
    }
}

// 管理者角色
public class Caretaker {
    // 备忘录对象
    private Memento memento;

    public Memento getMemento() {
        return this.memento;
    }

    public void storeMemento(Memento memento) {
        this.memento = memento;
    }

}

// 测试类
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //来一个发起人
        Originator originator = new Originator();
        //来一个备忘录管理员
        Caretaker caretaker = new Caretaker();
        //管理员存储发起人的备忘录
        caretaker.storeMemento(originator.createMemento());
        //发起人从管理员获取备忘录进行回滚
        originator.restoreMemento(caretaker.getMemento());

    }
}

2、使用栈管理富文本编辑器

我们使用富文本编辑器时，会经常写入、撤销、修改。因此我们需要将每一时刻的修改记录都要保存在草稿箱中。

// 发起人角色编辑器
public class Editor {

    private String title;
    private String content;
    private String imgs;

    public Editor(String title, String content, String imgs) {
        this.title = title;
        this.content = content;
        this.imgs = imgs;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public String getImgs() {
        return imgs;
    }

    public void setTitle(String title) {
        this.title = title;
    }

    public void setContent(String content) {
        this.content = content;
    }

    public void setImgs(String imgs) {
        this.imgs = imgs;
    }

    public ArticleMemento saveToMemento(){
        ArticleMemento articleMemento = new ArticleMemento(this.title,this.content,this.imgs);
        return articleMemento;
    }

    public void undoFromMemento(ArticleMemento articleMemento){
        this.title = articleMemento.getTitle();
        this.content = articleMemento.getContent();
        this.imgs = articleMemento.getImgs();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Editor{" +
                "title='" + title + ''' +
                ", content='" + content + ''' +
                ", imgs='" + imgs + ''' +
                '}';
    }
}


// 备忘录角色
public class ArticleMemento {
    private String title;
    private String content;
    private String imgs;

    public ArticleMemento(String title, String content, String imgs) {
        this.title = title;
        this.content = content;
        this.imgs = imgs;
    }

    public String getTitle() {
        return title;
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    public String getImgs() {
        return imgs;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "ArticleMemento{" +
                "title='" + title + ''' +
                ", content='" + content + ''' +
                ", imgs='" + imgs + ''' +
                '}';
    }
}


// 管理角色 草稿箱
public class DraftsBox {
    private final Stack<ArticleMemento> STACK = new Stack<ArticleMemento>();

    public ArticleMemento getMemento(){
        ArticleMemento articleMemento = STACK.pop();
        return articleMemento;
    }

    public void addMemento(ArticleMemento articleMemento){
        STACK.push(articleMemento);
    }

}

草稿箱中定义的Stack类是Vector的一个子类，它实现了一个标准的后进先出的栈。主要定义了以下方法：

方法定义方法描述
boolean empty()测试栈是否为空
Object peek()查看栈顶对象，但不从栈中移除它
Object pop()移除栈顶对象，并作为此函数的返回值
Object push(Object element)把对象压入栈顶
int search(Object element)返回对象在栈中的位置，以1为基数
// 测试类
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        DraftsBox draftsBox = new DraftsBox();

        Editor editor = new Editor("标题1",
                "内容1",
                "图片1");

        ArticleMemento articleMemento = editor.saveToMemento();
        draftsBox.addMemento(articleMemento);

        System.out.println("标题：" + editor.getTitle() + "
" +
                            "内容：" + editor.getContent() + "
" +
                            "插图：" + editor.getImgs() + "
暂存成功");

        System.out.println("完整的信息" + editor);


        System.out.println("==========首次修改文章===========");
        editor.setTitle("标题2");
        editor.setContent("内容2");
        editor.setImgs("图片2");

        System.out.println("==========首次修改文章完成===========");

        System.out.println("完整的信息" + editor);

        articleMemento = editor.saveToMemento();

        draftsBox.addMemento(articleMemento);

        System.out.println("==========保存到草稿箱===========");


        System.out.println("==========第2次修改文章===========");
        editor.setTitle("标题3");
        editor.setContent("内容3");
        editor.setImgs("图片3");
        System.out.println("完整的信息" + editor);
        System.out.println("==========第2次修改文章完成===========");

        System.out.println("==========第1次撤销===========");
        articleMemento = draftsBox.getMemento();
        editor.undoFromMemento(articleMemento);
        System.out.println("完整的信息" + editor);
        System.out.println("==========第1次撤销完成===========");


        System.out.println("==========第2次撤销===========");
        articleMemento = draftsBox.getMemento();
        editor.undoFromMemento(articleMemento);
        System.out.println("完整的信息" + editor);
        System.out.println("==========第2次撤销完成===========");

    }
}

执行结果：
在这里插入图片描述

3、游戏状态恢复案例

游戏中的某个场景，一游戏角色有生命力、攻击力、防御力等数据，在打Boss前和后一定会不一样的，我们允许玩家如果感觉与Boss决斗的效果不理想可以让游戏恢复到决斗之前的状态。

（1）“白箱”备忘录模式

备忘录角色对任何对象都提供一个接口，即宽接口，备忘录角色的内部所存储的状态就对所有对象公开。类图如下：
在这里插入图片描述

//游戏角色类
public class GameRole {
	private int vit; //生命力
	private int atk; //攻击力
	private int def; //防御力
	//初始化状态
	public void initState() {
		this.vit = 100;
		this.atk = 100;
		this.def = 100;
	}
	//战斗
	public void fight() {
		this.vit = 0;
		this.atk = 0;
		this.def = 0;
	}
	//保存角色状态
	public RoleStateMemento saveState() {
		return new RoleStateMemento(vit, atk, def);
	}
	//回复角色状态
	public void recoverState(RoleStateMemento roleStateMemento) {
		this.vit = roleStateMemento.getVit();
		this.atk = roleStateMemento.getAtk();
		this.def = roleStateMemento.getDef();
	}
	public void stateDisplay() {
		System.out.println("角色生命力：" + vit);
		System.out.println("角色攻击力：" + atk);
		System.out.println("角色防御力：" + def);
	}
	public int getVit() {
		return vit;
	}
	public void setVit(int vit) {
		this.vit = vit;
	}
	public int getAtk() {
		return atk;
	}
	public void setAtk(int atk) {
		this.atk = atk;
	}
	public int getDef() {
		return def;
	}
	public void setDef(int def) {
		this.def = def;
	}
}

//游戏状态存储类(备忘录类)
public class RoleStateMemento {
	private int vit;
	private int atk;
	private int def;
	public RoleStateMemento(int vit, int atk, int def) {
		this.vit = vit;
		this.atk = atk;
		this.def = def;
	}
	public int getVit() {
		return vit;
	}
	public void setVit(int vit) {
		this.vit = vit;
	}
	public int getAtk() {
		return atk;
	}
	public void setAtk(int atk) {
		this.atk = atk;
	}
	public int getDef() {
		return def;
	}
	public void setDef(int def) {
		this.def = def;
	}
}

//角色状态管理者类
public class RoleStateCaretaker {
	private RoleStateMemento roleStateMemento;
	public RoleStateMemento getRoleStateMemento() {
		return roleStateMemento;
	}
	public void setRoleStateMemento(RoleStateMemento roleStateMemento) {
		this.roleStateMemento = roleStateMemento;
	}
}

//测试类
public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("------------大战Boss前------------");
		//大战Boss前
		GameRole gameRole = new GameRole();
		gameRole.initState();
		gameRole.stateDisplay();
		//保存进度
		RoleStateCaretaker roleStateCaretaker = new RoleStateCaretaker();
		roleStateCaretaker.setRoleStateMemento(gameRole.saveState());
		System.out.println("------------大战Boss后------------");
		//大战Boss时，损耗严重
		gameRole.fight();
		gameRole.stateDisplay();
		System.out.println("------------恢复之前状态------------");
		//恢复之前状态
		gameRole.recoverState(roleStateCaretaker.getRoleStateMemento());
		gameRole.stateDisplay();
	}
}

分析：白箱备忘录模式是破坏封装性的。但是通过程序员自律，同样可以在一定程度上实现模式的大部分用意。

（2）“黑箱”备忘录模式

备忘录角色对发起人对象提供一个宽接口，而为其他对象提供一个窄接口。在Java语言中，实现双重接口的办法就是将备忘录类设计成发起人类的内部成员类。

将 RoleStateMemento 设为 GameRole 的内部类，从而将 RoleStateMemento 对象封装在GameRole 里面；在外面提供一个标识接口 Memento 给 RoleStateCaretaker 及其他对象使用。
这样 GameRole 类看到的是 RoleStateMemento 所有的接口，而 RoleStateCaretaker 及其他对象看到的仅仅是标识接口 Memento 所暴露出来的接口，从而维护了封装型。类图如下：
在这里插入图片描述

// 窄接口 Memento ，这是一个标识接口，因此没有定义出任何的方法
public interface Memento {
}

// 定义发起人类 GameRole ，并在内部定义备忘录内部类 RoleStateMemento （该内部类设置为私有的）
//游戏角色类
public class GameRole {
	private int vit; //生命力
	private int atk; //攻击力
	private int def; //防御力
	//初始化状态
	public void initState() {
		this.vit = 100;
		this.atk = 100;
		this.def = 100;
	}
	//战斗
	public void fight() {
		this.vit = 0;
		this.atk = 0;
		this.def = 0;
	}
	//保存角色状态
	public Memento saveState() {
		return new RoleStateMemento(vit, atk, def);
	}
	//回复角色状态
	public void recoverState(Memento memento) {
		RoleStateMemento roleStateMemento = (RoleStateMemento) memento;
		this.vit = roleStateMemento.getVit();
		this.atk = roleStateMemento.getAtk();
		this.def = roleStateMemento.getDef();
	}
	public void stateDisplay() {
		System.out.println("角色生命力：" + vit);
		System.out.println("角色攻击力：" + atk);
		System.out.println("角色防御力：" + def);
	}
	public int getVit() {
		return vit;
	}
	public void setVit(int vit) {
		this.vit = vit;
	}
	public int getAtk() {
		return atk;
	}
	public void setAtk(int atk) {
		this.atk = atk;
	}
	public int getDef() {
		return def;
	}
	public void setDef(int def) {
		this.def = def;
	}
	// 备忘录角色内部类
	private class RoleStateMemento implements Memento {
		private int vit;
		private int atk;
		private int def;
		public RoleStateMemento(int vit, int atk, int def) {
			this.vit = vit;
			this.atk = atk;
			this.def = def;
		}
		public int getVit() {
			return vit;
		}
		public void setVit(int vit) {
			this.vit = vit;
		}
		public int getAtk() {
			return atk;
		}
		public void setAtk(int atk) {
			this.atk = atk;
		}
		public int getDef() {
			return def;
		}
		public void setDef(int def) {
			this.def = def;
		}
	}
}

负责人角色类 RoleStateCaretaker 能够得到的备忘录对象是以 Memento 为接口的，由于这个接口仅仅是一个标识接口，因此负责人角色不可能改变这个备忘录对象的内容

//角色状态管理者类
public class RoleStateCaretaker {
	private Memento memento;
	public Memento getMemento() {
		return memento;
	}
	public void setMemento(Memento memento) {
		this.memento = memento;
	}
}

// 测试类
public class Client {
	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("------------大战Boss前------------");
		//大战Boss前
		GameRole gameRole = new GameRole();
		gameRole.initState();
		gameRole.stateDisplay();
		//保存进度
		RoleStateCaretaker roleStateCaretaker = new RoleStateCaretaker();
		roleStateCaretaker.setMemento(gameRole.saveState());
		System.out.println("------------大战Boss后------------");
		//大战Boss时，损耗严重
		gameRole.fight();
		gameRole.stateDisplay();
		System.out.println("------------恢复之前状态------------");
		//恢复之前状态
		gameRole.recoverState(roleStateCaretaker.getMemento());
		gameRole.stateDisplay();
	}
}

风语者！平时喜欢研究各种技术，目前在从事后端开发工作，热爱生活、热爱工作。

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