Java Tip: 實(shí)現(xiàn)Command模式 (轉(zhuǎn))

Java Tip: 實(shí)現(xiàn)Command模式

概述
有時需要向?qū)ο蟀l(fā)送請求，但是不知道 "被請求的操作" 或 "請求的接受者" 的任何信息。在面向過程的程序設(shè)計(jì)語言中，這類通信是通過回調(diào)函數(shù)來完成的：在某個地方登記這個函數(shù)，然后在后面調(diào)用它。在面向?qū)ο蟪绦蛑校琧ommand(命令)與回調(diào)函數(shù)等價，它封裝了回調(diào)函數(shù)。本文演示如何在Java中實(shí)現(xiàn)Command模式。

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設(shè)計(jì)模式不但可以加速面向?qū)ο蠊こ痰脑O(shè)計(jì)進(jìn)度，而且可以提高開發(fā)小組的產(chǎn)出以及軟件的質(zhì)量。Commad模式是一種對象行為模式，它可以對發(fā)送者(sender)和接收者(receiver)完全解耦(decoupling)。（"發(fā)送者" 是請求操作的對象，"接收者" 是接收請求并執(zhí)行某操作的對象。有了 "解耦"，發(fā)送者對接收者的接口一無所知。）這里，"請求"(request)這個術(shù)語指的是要被執(zhí)行的命令。Command模式還讓我們可以對 "何時" 以及 "如何" 完成請求進(jìn)行改變。因此，Command模式為我們提供了靈活性和可擴(kuò)展性。

在象C這樣的程序設(shè)計(jì)語言中，函數(shù)指針常被用來消除龐大的switch語句。(參見 "Java Tip 30: Polymorphism and Java" 獲得更詳細(xì)的介紹)Java沒有函數(shù)指針，所以我們可以用Command模式來實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)。在下面的第一個代碼示例TestCommand.java中，你將實(shí)際看到它是如何實(shí)現(xiàn)的。

一些開發(fā)者在其它語言中已經(jīng)習(xí)慣于使用函數(shù)指針，因而他們往往禁不起誘惑，想以同樣的方法使用Reflection api的Method對象。例如，在 "Java Reflection" 一文中，Paul Tremblett介紹了如何使用Reflection而不是switch語句來實(shí)現(xiàn)事務(wù)處理(Transaction) (參見 "相關(guān)資源" 獲得Tremblett的文章和Sun的Reflection教程網(wǎng)址的鏈接)。我是不會為這樣的誘惑所動的。正如Sun所指出的：在有其它更貼近于Java程序設(shè)計(jì)語言的工具滿足使用要求的情況下，一般不提倡使用Reflect API。不使用Method對象，程序會更易于調(diào)試和維護(hù)。所以，你應(yīng)該定義一個接口，并在類中實(shí)現(xiàn)它，以執(zhí)行所需操作。

因此我建議，可以使用Command模式并結(jié)合Java的動態(tài)加載和綁定機(jī)制來實(shí)現(xiàn)函數(shù)指針。(關(guān)于Java的動態(tài)加載和綁定機(jī)制的詳細(xì)介紹，參見Gosling和Henry McGilton的"The Java Language Environment -- A White Paper"，列于"相關(guān)資源"。)

遵循上面的建議，我們可以運(yùn)用Command模式，利用它所提供的多態(tài)性來消除龐大的switch語句，從而設(shè)計(jì)出可擴(kuò)展的系統(tǒng)。我們還可以利用Java獨(dú)有的動態(tài)加載和綁定機(jī)制來構(gòu)筑動態(tài)的、并且可以動態(tài)擴(kuò)展的系統(tǒng)。這一點(diǎn)在下面第二個代碼示例TestTransactionCommand.java中進(jìn)行說明。

Command模式使請求本身成為一個對象。這個對象和其它對象一樣可以被存儲和四處傳遞。這種模式的關(guān)鍵在于一個Command接口：它聲明了一個接口，用于執(zhí)行操作。最簡單的形式下，這個接口包含一個抽象的execute操作。每個具體的Command類把接收者作為一個實(shí)例變量進(jìn)行存儲，從而指定了一對 "接收者" 和 "行為"。它為execute()方法提供不同的實(shí)現(xiàn)以進(jìn)行請求調(diào)用。接收者知道如何執(zhí)行請求。

如下的圖1表示了Switch--一個Command對象的集合體(aggregation)。它的接口中有flipUp()和flipDown()兩種操作。Switch被稱為 "調(diào)用者"(invoker)，因?yàn)樗{(diào)用command接口中的execute操作。

具體的command，如LightOnCommand，實(shí)現(xiàn)command接口的execute操作。它知道去調(diào)用合適的接收者對象的操作。這種情況下它充當(dāng)了一個適配器(adapter)。通過 "適配器"這一術(shù)語， 我想說明：具體的Command對象是一個簡單的連接器，它連接具有不同接口的 "調(diào)用者" 和 "接收者"。

客戶實(shí)例化調(diào)用者，接收者以及具體的command對象。

圖2為時序圖，它表示對象間的相互作用。它說明了Command如何對調(diào)用者和接收者(以及它執(zhí)行的請求)解耦。客戶用合適的接收者作為構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)來創(chuàng)建具體的command。然后，它將Command保存在調(diào)用者中。調(diào)用者回調(diào)具體的command，后者知道如何完成想要的Action()操作。

客戶(代碼中的主程序)創(chuàng)建具體的Command對象并設(shè)置它的接收者。作為一個調(diào)用者對象，Switch保存具體的Command對象。調(diào)用者通過對Command對象調(diào)用execute來發(fā)送請求。具體的Command對象對它的接收者進(jìn)行操作調(diào)用，從而完成操作請求。

這里最關(guān)鍵的思想在于，具體的command用調(diào)用者來注冊自身，調(diào)用者進(jìn)行回調(diào)，在接收者身上執(zhí)行命令。

Command模式示例代碼
讓我們來看一個簡單的例子，它通過Command模式實(shí)現(xiàn)回調(diào)機(jī)制。

以Fan(風(fēng)扇)和Light(燈)為例。我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個Switch，它可以對任一個對象進(jìn)行 "開" 和 "關(guān)" 的操作。Fan和Light具有不同的接口，這意味著Switch必須獨(dú)立于接收者接口，或者說，它不清楚接收者的接口。為了解決這一問題，每個Switch都需要合適的command作為參數(shù)。很明顯，連接到Light的Switch和連接到Fan的Switch具有不同的command。因此，Command類必須是抽象的，或者是個接口。

Switch的構(gòu)造函數(shù)被調(diào)用時，它以一組合適的command作為參數(shù)。command作為Switch的私有變量保存下來。

調(diào)用flipUp()和flipDown()操作時，它們只是簡單地讓合適的command進(jìn)行execute()操作。Switch對調(diào)用execute()后將發(fā)生些什么一無所知。

TestCommand.java
class Fan {
  public void startRotate() {
  System.out.println("Fan is rotating");
  }
  public void stopRotate() {
  System.out.println("Fan is not rotating");
  }
}
class Light {
  public void turnOn( ) {
  System.out.println("Light is on ");
  }
  public void turnOff( ) {
  System.out.println("Light is off");
  }
}
class Switch {
  private Command UpCommand, DownCommand;
  public Switch( Command Up, Command Down) {
  UpCommand = Up; // concrete Command registers itself with the invoker
  DownCommand = Down;
  }
  void flipUp( ) { // invoker calls back concrete Command, which executes the Command on the receiver
  UpCommand . execute ( ) ;

  }
  void flipDown( ) {
  DownCommand . execute ( );
  }
}
class LightOnCommand implements Command {
  private Light myLight;
  public LightOnCommand ( Light L) {
  myLight  =  L;
  }
  public void execute( ) {
  myLight . turnOn( );
  }
}
class LightOffCommand implements Command {
  private Light myLight;
  public LightOffCommand ( Light L) {
  myLight  =  L;
  }
  public void execute( ) {
  myLight . turnOff( );
  }
}
class FanOnCommand implements Command {
  private Fan myFan;
  public FanOnCommand ( Fan F) {
  myFan  =  F;
  }
  public void execute( ) {
  myFan . startRotate( );
  }
}
class FanOffCommand implements Command {
  private Fan myFan;

  public FanOffCommand ( Fan F) {
  myFan  =  F;
  }
  public void execute( ) {
  myFan . stopRotate( );
  }
}
public class TestCommand {
  public static void main(String[] args) {
  Light  testLight = new Light( );
  LightOnCommand testLOC = new LightOnCommand(testLight);
  LightOffCommand testLFC = new LightOffCommand(testLight);
  Switch testSwitch = new Switch(testLOC,testLFC); 
  testSwitch.flipUp( );
  testSwitch.flipDown( );
  Fan testFan = new Fan( );
  FanOnCommand foc = new FanOnCommand(testFan);
  FanOffCommand ffc = new FanOffCommand(testFan);
  Switch ts = new Switch( foc,ffc);
  ts.flipUp( );
  ts.flipDown( );
  }
} 

Command.java
public interface Command {
  public abstract void execute ( );
}

在上面的示例代碼中，Command模式將 "調(diào)用操作的對象" (Switch)和 "知道如何執(zhí)行操作的對象" (Light和Fan)完全分離開來。這帶來了很大的靈活性：發(fā)送請求的對象只需要知道如何發(fā)送；它不必知道如何完成請求。

Command模式實(shí)現(xiàn)Transaction
Command模式也被稱為action(動作)模式或transaction(事務(wù))模式。假設(shè)有一個服務(wù)器，它接收并處理客戶通過TCP/IP socket連接發(fā)送的transaction。這些transaction包含一個命令，后跟零個或多個 參數(shù)。

一些設(shè)計(jì)者可能會使用switch語句，每個command對應(yīng)一個case。在一個面向?qū)ο蠊こ痰脑O(shè)計(jì)中，代碼中如果使用switch語句，往往表示這是一個糟糕的設(shè)計(jì)。Command模式展現(xiàn)的是支持transaction的面向?qū)ο蟮姆椒?，它可以用于解決這類設(shè)計(jì)問題。

在TestTransactionCommand.java程序的客戶代碼中，所有請求都被封裝在通用的TransactionCommand對象中。TransactionCommand對象由客戶創(chuàng)建并用CommandManager進(jìn)行登記。等待的請求可以通過調(diào)用runCommands()在不同時期被執(zhí)行，這帶來了很大的靈活性。而且我們還可以將多個command組裝成一個復(fù)合command。示例代碼中還有CommandArgument，CommandReceiver，CommandManager這些類，以及TransactionCommand的子類--AddCommand和SubtractCommand。下面是對這些類的介紹。

· CommandArgument是一個helper類，它保存命令的參數(shù)。如果是大量(或可變數(shù)量)的任何類型的參數(shù)，它可以被重寫，以簡化參數(shù)的傳遞工作。

· CommandReceiver實(shí)現(xiàn)所有的命令處理方法(command-processing method)，它用Singleton模式來實(shí)現(xiàn)。

· CommandManager是調(diào)用者，和前面例子中的Switch相當(dāng)。它在其私有myCommand變量中保存通用TransactionCommand對象。runCommands()被調(diào)用時，它調(diào)用合適的TransactionCommand對象的execute()。

Java中，可以根據(jù)一個包含類名的字符串查找類的定義。在TransactionCommand類的execute ()操作中，我先計(jì)算出類名，然后將它鏈接到運(yùn)行系統(tǒng)中--也就是說，類是根據(jù)需要被即時載入的。這里所采用的命名方式是，在命令名后連接一個 "Command" 字符串作為transaction command子類名，這樣它就可以被動態(tài)載入。

注意，newInstance()返回的Class對象必須被轉(zhuǎn)換為合適的類型。這意味著新的類要么必須實(shí)現(xiàn)一個接口，要么繼承一個在編譯期就為程序所知道的現(xiàn)有的類。本例中我們是實(shí)現(xiàn)Command接口，所以不存在問題。
file://TestTransactionCommand.java
import java.util.*;

final class CommandReceiver {
  private int[] c;

  private CommandArgument a;

  private CommandReceiver(){

  c = new int[2];

  }
  private static CommandReceiver cr = new CommandReceiver();
  public static CommandReceiver getHandle() {
return cr;

  }
  public void setCommandArgument(CommandArgument a) {
this.a = a;

  }
  public void methAdd() {
c = a.getArguments();

  System.out.println("The result is " + (c[0]+c[1]));

  }
  public void methSubtract() {
c = a.getArguments();

  System.out.println("The result is " + (c[0]-c[1]));

  }
}
class CommandManager {
  private Command myCommand;
  public CommandManager(Command  myCommand) {

  this.myCommand  =  myCommand ; 

  }
  public void runCommands( ) {

  myCommand.execute(); 

  }
}

class TransactionCommand implements Command {
  private CommandReceiver commandreceiver;

  private Vector commandnamelist,commandargumentlist;

  private String commandname;

  private CommandArgument commandargument;

  private Command command;
  public TransactionCommand () {
this(null,null);

  }
  public TransactionCommand ( Vector  commandnamelist, Vector
commandargumentlist){

  this.commandnamelist = commandnamelist;

  this.commandargumentlist = commandargumentlist;

  commandreceiver =  CommandReceiver.getHandle(); 

  }
  public void execute( ) {
  for (int i = 0; i < commandnamelist.size(); i++) {
  commandname = (String)(commandnamelist.get(i));

  commandargument = (CommandArgument)((commandargumentlist.get(i)));

  commandreceiver.setCommandArgument(commandargument);

  String classname = commandname + "Command";
  try {

  Class cls = Class.forName(classname);

  command = (Command) cls.newInstance();

  }

  catch (Throwable e) { 

  System.err.println(e);

  }

  command.execute();

  }

  }
}
class AddCommand extends TransactionCommand {

  private CommandReceiver cr;
  public AddCommand () {

  cr = CommandReceiver.getHandle(); 

  } 
  public void execute( ) { 

  cr.methAdd(); 

  } 

}
class SubtractCommand extends TransactionCommand {

  private CommandReceiver cr;
  public SubtractCommand () {

  cr = CommandReceiver.getHandle(); 

  }
  public void execute( ) {

  cr.methSubtract();

  } 

}

class CommandArgument {

  private int[] args;
  CommandArgument() {

  args = new int[2];

  }

  public int[] getArguments() {
return args;

  }

  public void setArgument(int i1, int i2) {

  args[0] = i1; args[1] = i2;

  }

}
public class TestTransactionCommand {

  private  Vector clist,alist;
  public TestTransactionCommand() {
clist = new Vector();

  alist = new Vector();

  }
  public void clearBuffer(Vector c, Vector a) {
clist.removeAll(c);

  alist.removeAll(a);

  }
  public Vector getClist() {
return clist;

  }
  public Vector getAlist() {
return alist;

  }
  public static void main(String[] args) {

  CommandArgument ca,ca2;
  TestTransactionCommand t = new TestTransactionCommand();
  ca = new CommandArgument();

  ca.setArgument(2,8);

  Vector myclist = t.getClist();

  Vector myalist = t.getAlist();

  myclist.addElement("Add"); myalist.addElement(ca);
  TransactionCommand tc = new TransactionCommand(myclist,myalist);

  CommandManager cm = new CommandManager(tc); 

  cm.runCommands();
  t.clearBuffer(myclist,myalist);

  ca2 = new CommandArgument();

  ca2.setArgument(5,7);

  myclist = t.getClist();

  myalist = t.getAlist();

  myclist.addElement("Subtract"); myalist.addElement(ca2);

  myclist.addElement("Add"); myalist.addElement(ca2);
  TransactionCommand tc2 = new TransactionCommand(myclist,myalist); 

  CommandManager cm2 = new CommandManager(tc2); 

  cm2.runCommands();
  }
} 

命令及其參數(shù)保存在列表中，并被封裝成通用TransactionCommand對象。通用TransactionCommand用CommandManager來注冊。任何時候，命令可以在CommandManager類中通過調(diào)用runCommands()接口來執(zhí)行。

客戶代碼不依賴于任何具體的TransactionCommand子類，也就是說，我的設(shè)計(jì)是針對接口而不是實(shí)現(xiàn)。這帶來了靈活性：要想增加一個新的命令，只需要定義一個新的TransactionCommand子類，并在CommandReceiver類中提供新的命令處理方法的實(shí)現(xiàn)。僅此而已。

結(jié)論
Command模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. command將 "進(jìn)行操作請求" 的對象和 "知道如何執(zhí)行操作" 的對象分離開來(即，解耦)。

2. command是個很棒的對象。它可以象任何其它對象一樣被使用和繼承。

3. 多個command可以被組裝成一個復(fù)合command。

4. 很容易增加新的command，因?yàn)椴恍枰薷默F(xiàn)有的類。

如果執(zhí)行過的命令序列被保存在一個歷史列表中，就可以遍歷這個列表來提供undo和redo操作。要想實(shí)現(xiàn)這一功能，必須在Command接口中有一個unexecute()操作。這一練習(xí)留給讀者自己去完成。

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相關(guān)資源
· Design Patterns by Gamma, Helm, Johnson, Vlissides, Addison-Wesley, 1994, ISBN 0-201-63361-2 http://www.bookbuyer.com/cgi-bin/getTitle.cgi?ISBN=0201633612

· Dr. Dobb's Journal, January 1998: "Java Reflection: Not just for tool developers," by Paul Tremblett http://www.ddj.com/articles/1998/9801/9801c/9801c.htm

· Sun's Reflection page
http://java.sun.com/docs/books/tutorial/reflect/index.html

· "The Java Language Environment -- A White Paper" (May 1996), by James Gosling and Henry McGilton covers details about Java's dynamic loading and binding mechanism
http://java.sun.com/docs/white/langenv/
For more on taking advantage of Java's unique feature of dynamic loading and binding mechanism to build a dynamic and dynamically-extensible system, see
http://java.sun.com/docs/white/langenv/