设计模式之桥接模式

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场景问题

发送消息

现在我们要实现这样一个功能:发送消息。从业务上看,消息又分成普通消息、加急消息和特急消息多种,不同的消息类型,业务功能处理是不一样的,比如加急消息是在消息上添加“加急”字样,而特急消息除了添加特急外,还会做一条催促的记录,多久不完成会继续催促。从发送消息的手段上看,又有系统内短消息、手机短消息、邮件等等。现在要实现这样的发送提示消息的功能,该如何实现呢?

不用模式的解决方案

实现简化版本

先实现一个简单点的版本:消息只是实现发送普通消息,发送的方式先实现系统内短消息和邮件。其它的功能,等这个版本完成过后,再继续添加,这样先把问题简单化,实现起来会容易一点。由于发送普通消息会有两种不同的实现方式,为了让外部能统一操作,因此,把消息设计成接口,然后由两个不同的实现类,分别实现系统内短消息方式和邮件发送消息的方式。此时系统结构如下:

2019-9-2-12-30-41.png

先来看看消息的统一接口,示例代码如下:

public interface Message {

    /**
     * 发送消息
     *
     * @param message 要发送的消息内容
     * @param toUser  消息发送的目的人员
     */
    void send(String message, String toUser);
}

再来分别看看两种实现方式,这里只是为了示意,并不会真的去发送Email和站内短消息,先看站内短消息的方式,示例代码如下:

public class CommonMessageSMS implements Message {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        System.out.println("使用站内短消息的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }
}

同样的,实现以Email的方式发送普通消息,示例代码如下:

public class CommonMessageEmail implements Message {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        System.out.println("使用Email的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }
}

实现发送加急消息

上面的实现,看起来很简单,对不对。接下来,添加发送加急消息的功能,也有两种发送的方式,同样是站内短消息和Email的方式。 加急消息的实现跟普通消息不同,加急消息会自动在消息上添加加急,然后再发送消息;另外加急消息会提供监控的方法,让客户端可以随时通过这个方法来了解对于加急消息处理的进度,比如:相应的人员是否接收到这个信息,相应的工作是否已经开展等等。因此加急消息需要扩展出一个新的接口,除了基本的发送消息的功能,还需要添加监控的功能,这个时候,系统的结构如图所示:

2019-9-2-12-31-39.png

先看看扩展出来的加急消息的接口,示例代码如下:

public interface UrgencyMessage extends Message {

    /**
     * 监控某消息的处理过程
     *
     * @param messageId 被监控的消息的编号
     * @return 包含监控到的数据对象,这里示意一下,所以用了Object
     */
    Object watch(String messageId);
}

相应的实现方式还是发送站内短消息和Email两种,同样需要两个实现类来分别实现这两种方式,先看站内短消息的方式,示例代码如下:

public class UrgencyMessageSMS implements UrgencyMessage {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        message = "加急:" + message;
        System.out.println("使用站内短消息的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }

    @Override
    public Object watch(String messageId) {
        //获取相应的数据,组织成监控的数据对象,然后返回
        return null;
    }
}

再看看Emai的方式,示例代码如下:

public class UrgencyMessageEmail implements UrgencyMessage {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        message = "加急:" + message;
        System.out.println("使用Email的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }

    @Override
    public Object watch(String messageId) {
        //获取相应的数据,组织成监控的数据对象,然后返回
        return null;
    }
}

事实上,在实现加急消息发送的功能上,可能会使用前面发送不同消息的功能,也就是让实现加急消息处理的对象继承普通消息的相应实现,这里为了让结构简单一点,清晰一点,所以没有这样做。

有何问题

上面这样实现,好像也能满足基本的功能要求,可是这么实现好不好呢?有没有什么问题呢? 我们继续向下来添加功能实现,为了简洁,就不再去进行代码示意了,通过实现的结构示意图就可以看出实现上的问题。

继续添加特急消息的处理

特急消息不需要查看处理进程,只要没有完成,就直接催促,也就是说,对于特急消息,在普通消息的处理基础上,需要添加催促的功能。而特急消息、还有催促的发送方式,相应的实现方式还是发送站内短消息和Email两种,此时系统的结构如图所示:

2019-9-2-12-32-9.png

仔细观察上面的系统结构示意图,会发现一个很明显的问题,那就是:通过这种继承的方式来扩展消息处理,会非常不方便。 你看,实现加急消息处理的时候,必须实现站内短消息和Email两种处理方式,因为业务处理可能不同;在实现特急消息处理的时候,又必须实现站内短消息和Email这两种处理方式。 这意味着,以后每次扩展一下消息处理,都必须要实现这两种处理方式,是不是很痛苦,这还不算完,如果要添加新的实现方式呢?继续向下看吧。

继续添加发送手机消息的处理方式

如果看到上面的实现,你还感觉问题不是很大的话,继续完成功能,添加发送手机消息的处理方式 仔细观察现在的实现,如果要添加一种新的发送消息的方式,是需要在每一种抽象的具体实现里面,都要添加发送手机消息的处理的。也就是说:发送普通消息、加急消息和特急消息的处理,都可以通过手机来发送。这就意味着,需要添加三个实现。此时系统结构如图所示:

2019-9-2-12-32-31.png

这下能体会到这种实现方式的大问题了吧。

小结一下出现的问题

采用通过继承来扩展的实现方式,有个明显的缺点:扩展消息的种类不太容易,不同种类的消息具有不同的业务,也就是有不同的实现,在这种情况下,每个种类的消息,需要实现所有不同的消息发送方式。 更可怕的是,如果要新加入一种消息的发送方式,那么会要求所有的消息种类,都要加入这种新的发送方式的实现。 要是考虑业务功能上再扩展一下呢?比如:要求实现群发消息,也就是一次可以发送多条消息,这就意味着很多地方都得修改,太恐怖了。 那么究竟该如何实现才能既实现功能,又能灵活的扩展呢?

解决方案

桥接模式来解决

用来解决上述问题的一个合理的解决方案,就是使用桥接模式。那么什么是桥接模式呢? 桥接模式定义:

将抽象部分和实现部分分离,使它们都可以独立地变化

应用桥接模式来解决的思路

仔细分析上面的示例,根据示例的功能要求,示例的变化具有两个维度,一个维度是抽象的消息这边,包括普通消息、加急消息和特急消息,这几个抽象的消息本身就具有一定的关系,加急消息和特急消息会扩展普通消息;另一个维度在具体的消息发送方式上,包括站内短消息、Email和手机短信息,这几个方式是平等的,可被切换的方式。这两个维度一共可以组合出9种不同的可能性来。 现在出现问题的根本原因,就在于消息的抽象和实现是混杂在一起的,这就导致了,一个维度的变化,会引起另一个维度进行相应的变化,从而使得程序扩展起来非常困难。 要想解决这个问题,就必须把这两个维度分开,也就是将抽象部分和实现部分分开,让它们相互独立,这样就可以实现独立的变化,使扩展变得简单。 桥接模式通过引入实现的接口,把实现部分从系统中分离出去;那么,抽象这边如何使用具体的实现呢?肯定是面向实现的接口来编程了,为了让抽象这边能够很方便的与实现结合起来,把顶层的抽象接口改成抽象类,在里面持有一个具体的实现部分的实例。 这样一来,对于需要发送消息的客户端而言,就只需要创建相应的消息对象,然后调用这个消息对象的方法就可以了,这个消息对象会调用持有的真正的消息发送方式来把消息发送出去。也就是说客户端只是想要发送消息而已,并不想关心具体如何发送。

模式结构和说明

桥接模式的结构图:

2019-9-2-12-32-50.png

  • Abstraction:抽象部分的接口。通常在这个对象里面,要维护一个实现部分的对象引用,在抽象对象里面的方法,需要调用实现部分的对象来完成。这个对象里面的方法,通常都是跟具体的业务相关的方法。
  • RefinedAbstraction:扩展抽象部分的接口,通常在这些对象里面,定义跟实际业务相关的方法,这些方法的实现通常会使用Abstraction中定义的方法,也可能需要调用实现部分的对象来完成。
  • Implementor:定义实现部分的接口,这个接口不用和Abstraction里面的方法一致,通常是由Implementor接口提供基本的操作,而Abstraction里面定义的是基于这些基本操作的业务方法,也就是说Abstraction定义了基于这些基本操作的较高层次的操作。
  • ConcreteImplementor:真正实现Implementor接口的对象。

桥接模式示例代码

先看看Implementor接口的定义,示例代码如下:

public interface Implementor {

    void operationImpl();
}

再看看Abstraction接口的定义,注意一点,虽然说是接口定义,但其实是实现成为抽象类。示例代码如下:

public abstract class Abstraction {

    /**
     * 持有一个实现部分的对象
     */
    protected Implementor impl;

    /**
     * 构造方法,传入实现部分的对象
     *
     * @param impl 实现部分的对象
     */
    public Abstraction(Implementor impl) {
        this.impl = impl;
    }

    public void operation() {
        impl.operationImpl();
    }
}

该来看看具体的实现了,示例代码如下:

public class ConcreteImplementorA implements Implementor {

    public void operationImpl() {
        //真正的实现
    }
}

另外一个实现,示例代码如下:

public class ConcreteImplementorB implements Implementor {

    public void operationImpl() {
        //真正的实现
    }
}

最后来看看扩展Abstraction接口的对象实现,示例代码如下:

public class RefinedAbstraction extends Abstraction {

    public RefinedAbstraction(Implementor impl) {
        super(impl);
    }

    /**
     * 示例操作,实现一定的功能
     */
    public void otherOperation() {

        //实现一定的功能,可能会使用具体实现部分的实现方法,
        //但是本方法更大的可能是使用Abstraction中定义的方法,
        //通过组合使用Abstraction中定义的方法来完成更多的功能
    }
}

使用桥接模式重写示例

学习了桥接模式的基础知识过后,该来使用桥接模式重写前面的示例了。通过示例,来看看使用桥接模式来实现同样的功能,是否能解决“既能方便的实现功能,又能有很好的扩展性”的问题。 要使用桥接模式来重新实现前面的示例,首要任务就是要把抽象部分和实现部分分离出来,分析要实现的功能,抽象部分就是各个消息的类型所对应的功能,而实现部分就是各种发送消息的方式。 其次要按照桥接模式的结构,给抽象部分和实现部分分别定义接口,然后分别实现它们就可以了。

从简单功能开始

从相对简单的功能开始,先实现普通消息和加急消息的功能,发送方式先实现站内短消息和Email这两种。使用桥接模式来实现这些功能的程序结构如图所示

2019-9-2-12-33-19.png

还是看看代码实现,会更清楚一些。先看看消息发送器接口,示例代码如下:

/**
 * 消息发送器
 *
 * @author HansChen
 */
public interface MessageSender {

    /**
     * 发送消息
     *
     * @param message 要发送的消息内容
     * @param toUser  消息发送的目的人员
     */
    void send(String message, String toUser);
}

再看看抽象部分定义的接口,示例代码如下:

/**
 * 抽象的消息对象
 *
 * @author HansChen
 */
public class AbstractMessageController {

    /**
     * 持有一个实现部分的对象
     */
    MessageSender impl;

    /**
     * 构造方法,传入实现部分的对象
     *
     * @param impl 实现部分的对象
     */
    AbstractMessageController(MessageSender impl) {
        this.impl = impl;
    }

    /**
     * 发送消息,转调实现部分的方法
     *
     * @param message 要发送的消息内容
     * @param toUser  消息发送的目的人员
     */
    protected void sendMessage(String message, String toUser) {
        impl.send(message, toUser);
    }
}

看看如何具体的实现发送消息,先看站内短消息的实现吧,示例代码如下:

/**
 * 以站内短消息的方式发送消息
 *
 * @author HansChen
 */
public class MessageSenderSMS implements MessageSender {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        System.out.println("使用站内短消息的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }
}

再看看Email方式的实现,示例代码如下:

/**
 * 以Email的方式发送消息
 *
 * @author HansChen
 */
public class MessageSenderEmail implements MessageSender {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        System.out.println("使用Email的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }
}

接下来该看看如何扩展抽象的消息接口了,先看普通消息的实现,示例代码如下:

public class CommonMessageController extends AbstractMessageController {

    public CommonMessageController(MessageSender impl) {
        super(impl);
    }

    @Override
    public void sendMessage(String message, String toUser) {
        //对于普通消息,什么都不干,直接调父类的方法,把消息发送出去就可以了
        super.sendMessage(message, toUser);
    }
}

再看看加急消息的实现,示例代码如下:

public class UrgencyMessageController extends AbstractMessageController {

    public UrgencyMessageController(MessageSender impl) {
        super(impl);
    }

    @Override
    protected void sendMessage(String message, String toUser) {
        message = "加急:" + message;
        super.sendMessage(message, toUser);
    }

    /**
     * 扩展自己的新功能:监控某消息的处理过程
     *
     * @param messageId 被监控的消息的编号
     * @return 包含监控到的数据对象,这里示意一下,所以用了Object
     */
    public Object watch(String messageId) {
        //获取相应的数据,组织成监控的数据对象,然后返回
        return null;
    }
}

添加功能

看了上面的实现,发现使用桥接模式来实现也不是很困难啊,关键得看是否能解决前面提出的问题,那就来添加还未实现的功能看看,添加对特急消息的处理,同时添加一个使用手机发送消息的方式。该怎么实现呢? 很简单,只需要在抽象部分再添加一个特急消息的类,扩展抽象消息就可以把特急消息的处理功能加入到系统中了;对于添加手机发送消息的方式也很简单,在实现部分新增加一个实现类,实现用手机发送消息的方式,也就可以了。 这么简单?好像看起来完全没有了前面所提到的问题。的确如此,采用桥接模式来实现过后,抽象部分和实现部分分离开了,可以相互独立的变化,而不会相互影响。因此在抽象部分添加新的消息处理,对发送消息的实现部分是没有影响的;反过来增加发送消息的方式,对消息处理部分也是没有影响的。

接着看看代码实现,先看看新的特急消息的处理类,示例代码如下:

public class SpecialUrgencyMessageController extends AbstractMessageController {

    public SpecialUrgencyMessageController(MessageSender impl) {
        super(impl);
    }

    @Override
    protected void sendMessage(String message, String toUser) {
        message = "特急:" + message;
        super.sendMessage(message, toUser);
    }

    public void hurry(String messageId) {
        //执行催促的业务,发出催促的信息
    }
}

再看看使用手机短消息的方式发送消息的实现,示例代码如下:

public class MessageSenderMobile implements MessageSender {

    @Override
    public void send(String message, String toUser) {
        System.out.println("使用手机的方式,发送消息'" + message + "'给" + toUser);
    }
}

测试一下功能

看了上面的实现,可能会感觉得到,使用桥接模式来实现前面的示例过后,添加新的消息处理,或者是新的消息发送方式是如此简单,可是这样实现,好用吗?写个客户端来测试和体会一下,示例代码如下:

public class Client {

    public static void main(String[] args) {
        //创建具体的实现对象
        MessageSender impl = new MessageSenderSMS();

        //创建一个普通消息对象
        AbstractMessageController controller = new CommonMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");

        //创建一个紧急消息对象
        controller = new UrgencyMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");

        //创建一个特急消息对象
        controller = new SpecialUrgencyMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");


        //把实现方式切换成手机短消息,然后再实现一遍
        impl = new MessageSenderMobile();
        controller = new CommonMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");

        controller = new UrgencyMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");

        controller = new SpecialUrgencyMessageController(impl);
        controller.sendMessage("请喝一杯茶", "小李");
    }
}

运行结果如下:

使用站内短消息的方式,发送消息'请喝一杯茶'给小李
使用站内短消息的方式,发送消息'加急:请喝一杯茶'给小李
使用站内短消息的方式,发送消息'特急:请喝一杯茶'给小李
使用手机的方式,发送消息'请喝一杯茶'给小李
使用手机的方式,发送消息'加急:请喝一杯茶'给小李
使用手机的方式,发送消息'特急:请喝一杯茶'给小李

前面三条是使用的站内短消息,后面三条是使用的手机短消息,正确的实现了预期的功能。看来前面的实现应该是正确的,能够完成功能,且能灵活扩展。

广义桥接-Java中无处不桥接

使用Java编写程序,一个很重要的原则就是“面向接口编程”,说得准确点应该是“面向抽象编程”,由于在Java开发中,更多的使用接口而非抽象类,因此通常就说成“面向接口编程”了。接口把具体的实现和使用接口的客户程序分离开来,从而使得具体的实现和使用接口的客户程序可以分别扩展,而不会相互影响。

桥接模式中的抽象部分持有具体实现部分的接口,最终目的是什么,还不是需要通过调用具体实现部分的接口中的方法,来完成一定的功能,这跟直接使用接口没有什么不同,只是表现形式有点不一样。再说,前面那个使用接口的客户程序也可以持有相应的接口对象,这样从形式上就一样了。

也就是说,从某个角度来讲,桥接模式不过就是对“面向抽象编程”这个设计原则的扩展。正是通过具体实现的接口,把抽象部分和具体的实现分离开来,抽象部分相当于是使用实现部分接口的客户程序,这样抽象部分和实现部分就松散耦合了,从而可以实现相互独立的变化。

这样一来,几乎可以把所有面向抽象编写的程序,都视作是桥接模式的体现,至少算是简化的桥接模式,就算是广义的桥接吧。而Java编程很强调“面向抽象编程”,因此,广义的桥接,在Java中可以说是无处不在。

桥接模式在Android中的应用

如果各位童鞋看到这里仍然对桥接模式还是不太清楚,在这里给大家举个在Android中非常常用的桥接模式栗子:AbsListViewListAdapter之间的桥接模式。童鞋们可以根据这个栗子体会一下桥接模式的好处。