二十一、备忘录模式

发布于：2024-08-22 ⋅ 阅读:(21) ⋅ 点赞:(0)

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1 基本介绍

备忘录模式（Memento Pattern）是一种 行为型 设计模式，它在 不破坏封装性 的前提下，将某个时间点的实例的状态 保存 下来，之后在有必要时，再将实例 恢复 至当时的状态。

2 案例

本案例实现了浏览器的 访问 和 回退 功能：

  • 访问功能：输入网址，然后显示网址。
  • 回退功能：返回上一个网页，然后显示网址。如果没有上一个网页，则显示无法回退。

2.1 Webpage 类

public class Webpage { // 网页
    private String url; // 路径

    public String getUrl() {
        return url;
    }

    public void setUrl(String url) {
        this.url = url;
    }

    public Memento createMemento() { // 创建备忘录
        return new Memento(url);
    }

    public void restoreMemento(Memento memento) { // 从指定备忘录恢复状态
        this.url = memento.getUrl();
    }
}

2.2 Memento 类

public class Memento { // 保存网页路径的备忘录
    // Memento 类的字段的可见性为 包内可见，这代表 Webpage 类可以随意使用 Memento 类中的字段
    String url; // 路径

    // 假设与 Memento 类同包的类只有 Webpage 类
    // Memento 类的构造器的可见性为 包内可见，这代表只有 Webpage 类可以创建 Memento 类的实例
    Memento(String url) {
        this.url = url;
    }

    // 这个方法的可见性为 public，可以被本包外的类调用
    public String getUrl() {
        return url;
    }
}

2.3 Browser 类

import java.util.LinkedList;

public class Browser { // 浏览器
    private Webpage webpage = new Webpage(); // 当前的网页，初始化的网页没有网址
    private LinkedList<Memento> mementos = new LinkedList<>(); // 存储 以前网页状态 的备忘录集合

    public void access(String url) { // 访问一个网页
        if (webpage.getUrl() != null) { // 如果当前网页有网址
            mementos.push(webpage.createMemento()); // 则将当前网页的状态保存到备忘录集合中
        }
        webpage.setUrl(url);
        System.out.println("当前的网页的网址为：" + webpage.getUrl());
    }

    public void back() { // 返回上一个网页
        if (!mementos.isEmpty()) { // 如果之前访问过网页
            webpage.restoreMemento(mementos.pop()); // 则返回到上一个网页
            System.out.println("上一个网页的网址为：" + webpage.getUrl());
        } else {
            System.out.println("没有网页可以回退");
        }
    }
}

2.4 Client 类

public class Client { // 客户端，测试了 浏览器的 访问 和 返回 功能
    public static void main(String[] args) {
        Browser browser = new Browser();
        browser.access("https://www.baidu.com");
        browser.access("https://baike.baidu.com");
        browser.access("https://www.jd.com");
        browser.back();
        browser.back();
        browser.back();
    }
}

2.5 Client 类的运行结果

当前的网页的网址为：https://www.baidu.com
当前的网页的网址为：https://baike.baidu.com
当前的网页的网址为：https://www.jd.com
上一个网页的网址为：https://baike.baidu.com
上一个网页的网址为：https://www.baidu.com
没有网页可以回退

2.6 总结

本案例中，在访问新的网页时，保存了网页的网址，用以之后的回退功能。

需要特别注意 Memento 类中 各个字段 和 各个方法（包括构造器）的可见性：

  • 所有字段：由于它们在 Webpage 类中会使用到，所以将其可见性设置为 包内可见。
  • 构造器：由于不想其他包的类随便生成 Memento 类的实例，所以将其可见性设置为 包内可见。
  • 方法分为两类：
    • 只想被 Webpage 类调用的方法：可见性设置为 包内可见。这种情况比较少，一般没有这种方法。
    • 可以被包外的类调用的方法：可见性设置为 public。

当将 Memento 类的 字段 和 方法 设置为如上的可见性时，就达成了本模式的一个重点——不破环 Webpage 类的封装性。不过 Memento 类和 Webpage 类的 耦合度很高，如果要修改 Webpage 类的字段，则需要修改 Memento 类的字段。

3 各角色之间的关系

3.1 角色

3.1.1 Originator ( 生成者 )

该角色负责 实现 生成 Memento 角色的实例 和 根据指定 Memento 角色实例恢复自身状态 的方法。本案例中，Webpage 类扮演了该角色。

3.1.2 Memento ( 备忘录 )

该角色负责 记录 Originator 角色中需要的 信息，这些信息可以被 Originator 角色直接访问，但不暴露给其他类。此外，Memento 角色中含有两类方法：

  • 只能被 Originator 角色访问的方法（包括构造器）。
  • 可以被其他类访问的方法。

这些方法具有不同的访问修饰符。本案例中，Memento 类扮演了该角色。

3.1.3 Caretaker ( 管理者 )

该角色负责 在合适的情况下 记录 Originator 角色的状态（即保存其生成的 Memento 实例），然后在合适的情况下 恢复 Originator 角色的状态（即给 Originator 角色传递 Memento 实例）。本案例中，Browser 类扮演了该角色。

3.1.4 Client ( 客户端 )

该角色负责 使用 Caretaker 角色完成具体的业务逻辑。本案例中，Client 类扮演了该角色。

3.2 类图

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说明：

  • Caretaker 中可能用 Memento memento;、List<Memento> mementos; 等的方式来 聚合 Memento。
  • Memento 中有两类方法，一类是供给 Originator 调用的，另一类是提供给包外的类调用的。

4 注意事项

  • ** Memento 的生命周期管理**：
    • 及时使用与删除： Memento 创建出来就应在“最近”的代码中使用，避免长时间占用内存。若 Memento 不再需要，应立即删除其引用，以便垃圾回收器回收处理。
    • 避免内存泄漏：由于 Memento 可能包含大量数据，若不及时管理，可能会导致内存泄漏。
  • 封装性保护：
    • 状态封装：备忘录模式应 确保妥善封装 Originator 的内部状态，防止外部对象直接访问或修改这些状态。
    • 接口设计：Memento 和 Originator 之间的接口设计应清晰明确，确保 Memento 仅包含必要的状态信息，避免暴露过多的内部实现细节。
  • 性能考虑：
    • 避免频繁创建：备忘录模式的性能开销主要来自于备忘录对象的创建和存储。因此，应避免在频繁操作的场景（如循环中）创建备忘录对象，以减少不必要的资源消耗。
    • 优化存储：对于大型对象或复杂状态，应考虑使用 压缩 技术来优化存储，减少内存占用。
  • 安全性考虑：
    • 敏感数据保护：若 Memento 中包含 敏感数据（如用户个人信息、密码等），则应采取 加密、脱敏 等安全措施来保护这些数据的安全性。
    • 并发控制：在 多线程环境 下，若多个线程同时操作同一个发起人对象的状态，并尝试保存或恢复 Memento，则需要考虑 并发控制问题，以避免数据竞争或状态损坏。

5 优缺点

优点：

  • 封装性保护：备忘录模式能够有效地 保护封装边界，将 Originator 的内部状态细节隐藏起来，不直接暴露给外部对象。只有 Originator 能够直接访问和修改其内部状态，而其他对象（如 Caretaker）只能通过 Memento 来 间接地 存储 和 恢复 这些状态。
  • 灵活的撤销操作：在需要实现 撤销操作 的场景中，备忘录模式能够方便地 保存每一次操作前的状态，并允许用户随时撤销到之前的状态。这种撤销操作不依赖于系统当前的状态，因此具有很高的灵活性和可靠性。
  • 状态恢复的无损性：由于备忘录模式直接保存了对象的内部状态，因此在恢复状态时可以做到 完全无损，即恢复到保存备忘录时的精确状态，不会有任何数据丢失或损坏。

缺点：

  • 资源消耗：备忘录模式会 消耗较多的内存资源，因为需要为每个保存的状态创建一个备忘录对象。如果状态信息很大或者需要频繁地保存和恢复状态，那么这种资源消耗可能会变得非常显著。
  • 管理复杂性：随着系统中备忘录对象的增多，Caretaker 需要维护一个庞大的备忘录集合。这可能会增加系统的管理复杂性，使得 在需要时快速找到并恢复正确的备忘录变得困难。
  • 耦合度较高：在备忘录模式中，Memento 对 Originator 的 依赖性很强，如果修改 Originator 的字段，则也需要修改 Memento 的字段。

6 适用场景

  • 文本编辑器的撤销/恢复操作：在文本编辑器中，用户可能会进行多次编辑操作，如输入、删除、修改等。为了 支持撤销（Undo）和恢复（Redo）功能，编辑器可以使用备忘录模式来保存每次编辑操作前的文本状态。当用户执行撤销操作时，编辑器可以从备忘录中恢复到上一次保存的状态；当用户执行恢复操作时，则可以再次回到撤销前的状态。
  • 游戏的存档/读档操作：在游戏中，玩家可能需要保存游戏进度以便在之后继续游戏，或者在某些情况下需要恢复到之前的某个游戏状态。游戏可以使用备忘录模式来保存游戏状态，包括玩家的位置、物品、得分等信息。当玩家选择存档时，游戏将当前状态保存到备忘录中；当玩家选择读档时，则可以从备忘录中恢复之前保存的游戏状态。
  • 数据库事务的回滚：在数据库管理中，事务是一组不可分割的操作序列，它们要么全部执行成功，要么全部不执行。为了 支持事务的回滚操作（即在事务执行过程中发生错误时撤销已执行的操作），数据库系统可以使用备忘录模式来保存事务执行前的状态。如果事务执行失败或需要回滚，数据库系统可以从备忘录中恢复到事务开始前的状态。
  • 安全监管中的状态记录：在安全监管领域，系统可能需要记录其运行状态以便在出现问题时进行回溯和调查。通过使用备忘录模式，系统可以定期保存其关键状态信息到备忘录中。当系统出现问题时，监管人员可以从备忘录中检索之前的状态信息，以便分析问题的原因和过程。

7 总结

备忘录模式 是一种 行为型 设计模式，它在 不破坏 Originator 的封装性 的前提下，将它的某个时间点的状态通过 Memento 保存 下来，之后在有必要时，再使用 Memento 将它 恢复 至当时的状态。这种模式保证了 Originator 的封装性，而且在恢复状态时没有数据的丢失。不过缺点也很明显，就是会占用大量的内存或储存空间。在需要 先记录数据，然后在一段时间后恢复数据 的场景中，经常会使用到备忘录模式。

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