在软件开发中，我们经常遇到需要将"请求"或"操作"封装成对象的情况。比如，GUI中的按钮点击、遥控器控制家电、事务系统中的操作回滚等场景。命令模式（Command Pattern）正是为解决这类问题而生的设计模式。本文将全面剖析命令模式的原理、实现、应用场景以及实际案例，帮助开发者深入理解并灵活运用这一强大的设计模式。
一、命令模式概述
1.1 什么是命令模式
命令模式是一种行为设计模式，它将请求或操作封装为一个独立的对象，从而使你可以参数化客户端与不同的请求，将请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。
简单来说，命令模式把"要做什么"（命令内容）和"谁来做"（执行者）以及"什么时候做"（调用时机）分离开来，实现了请求的发出者和执行者之间的解耦。
1.2 为什么需要命令模式
在没有使用命令模式的传统设计中，通常会遇到以下问题：
紧耦合：请求发送者直接调用接收者的方法，两者紧密耦合
难以扩展：新增操作需要修改现有代码
不支持撤销/重做：操作执行后难以回退
无法批量处理：难以将多个操作组合成一个复合操作
命令模式通过将请求封装为对象，完美解决了上述问题。
1.3 命令模式的核心思想
命令模式的核心在于"将请求封装为对象"，这个对象包含了执行操作所需的全部信息。这样，请求可以被参数化、队列化、日志化和撤销化。
二、命令模式的结构
2.1 类图结构
命令模式包含以下主要角色：
[Client] ---> [Invoker]
| ^
v |
[Command] <--- [ConcreteCommand] ---> [Receiver]2.2 角色说明
Command（命令接口）：
声明执行操作的接口
通常包含execute()和undo()方法
ConcreteCommand（具体命令）：
实现Command接口
绑定一个接收者对象和一组动作
实现execute()方法，调用接收者的相应操作
Invoker（调用者）：
负责调用命令对象执行请求
不直接知道如何执行操作，只通过命令接口与命令对象交互
Receiver（接收者）：
知道如何实施与执行请求相关的操作
实际执行命令的具体操作
Client（客户端）：
创建具体命令对象并设置其接收者
将命令对象交给调用者
2.3 交互流程
客户端创建一个具体命令对象并指定其接收者
调用者对象存储该具体命令对象
调用者通过调用命令对象的execute()方法发出请求
具体命令对象调用接收者的一个或多个操作来执行请求
三、命令模式的实现
3.1 基础实现示例
让我们通过一个智能家居控制系统的例子来演示命令模式的实现：
// Command接口
public interface Command {
void execute();
void undo();
}
// Receiver - 电灯
public class Light {
private String location;
public Light(String location) {
this.location = location;
}
public void on() {
System.out.println(location + " light is on");
}
public void off() {
System.out.println(location + " light is off");
}
}
// Receiver - 风扇
public class Fan {
public void on() {
System.out.println("Fan is on");
}
public void off() {
System.out.println("Fan is off");
}
}
// ConcreteCommand - 开灯命令
public class LightOnCommand implements Command {
private Light light;
public LightOnCommand(Light light) {
this.light = light;
}
@Override
public void execute() {
light.on();
}
@Override
public void undo() {
light.off();
}
}
// ConcreteCommand - 开风扇命令
public class FanOnCommand implements Command {
private Fan fan;
public FanOnCommand(Fan fan) {
this.fan = fan;
}
@Override
public void execute() {
fan.on();
}
@Override
public void undo() {
fan.off();
}
}
// Invoker - 遥控器
public class RemoteControl {
private Command command;
public void setCommand(Command command) {
this.command = command;
}
public void pressButton() {
command.execute();
}
public void pressUndo() {
command.undo();
}
}
// Client
public class HomeAutomationDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建接收者
Light livingRoomLight = new Light("Living Room");
Fan ceilingFan = new Fan();
// 创建命令
Command lightOn = new LightOnCommand(livingRoomLight);
Command fanOn = new FanOnCommand(ceilingFan);
// 创建调用者
RemoteControl remote = new RemoteControl();
// 控制电灯
remote.setCommand(lightOn);
remote.pressButton(); // 开灯
remote.pressUndo(); // 关灯
// 控制风扇
remote.setCommand(fanOn);
remote.pressButton(); // 开风扇
remote.pressUndo(); // 关风扇
}
}3.2 支持多命令的改进实现
上面的基础实现每次只能存储一个命令，我们可以改进遥控器，使其支持多个插槽和撤销操作：
// 改进后的遥控器
public class AdvancedRemoteControl {
private Command[] onCommands;
private Command[] offCommands;
private Command undoCommand;
public AdvancedRemoteControl(int slots) {
onCommands = new Command[slots];
offCommands = new Command[slots];
undoCommand = new NoCommand(); // 空对象模式
// 初始化所有插槽为空命令
Command noCommand = new NoCommand();
for (int i = 0; i < slots; i++) {
onCommands[i] = noCommand;
offCommands[i] = noCommand;
}
}
public void setCommand(int slot, Command onCommand, Command offCommand) {
onCommands[slot] = onCommand;
offCommands[slot] = offCommand;
}
public void onButtonPressed(int slot) {
onCommands[slot].execute();
undoCommand = onCommands[slot];
}
public void offButtonPressed(int slot) {
offCommands[slot].execute();
undoCommand = offCommands[slot];
}
public void undoButtonPressed() {
undoCommand.undo();
}
}
// 空命令对象
public class NoCommand implements Command {
@Override
public void execute() {}
@Override
public void undo() {}
}3.3 宏命令实现
命令模式还可以实现宏命令（Macro Command），即一组命令的组合：
// 宏命令
public class MacroCommand implements Command {
private Command[] commands;
public MacroCommand(Command[] commands) {
this.commands = commands;
}
@Override
public void execute() {
for (Command command : commands) {
command.execute();
}
}
@Override
public void undo() {
// 逆序执行撤销
for (int i = commands.length - 1; i >= 0; i--) {
commands[i].undo();
}
}
}
// 使用宏命令
public class MacroCommandDemo {
public static void main(String[] args) {
Light light = new Light("Living Room");
Fan fan = new Fan();
Command lightOn = new LightOnCommand(light);
Command fanOn = new FanOnCommand(fan);
Command[] partyOn = {lightOn, fanOn};
Command partyOnMacro = new MacroCommand(partyOn);
RemoteControl remote = new RemoteControl();
remote.setCommand(partyOnMacro);
remote.pressButton(); // 同时开灯和开风扇
}
}四、命令模式的优点
解耦：将请求的发起者与执行者解耦，调用者无需知道接收者的具体实现
可扩展：可以很容易地添加新的命令，符合开闭原则
支持撤销/重做：通过实现undo()方法可以轻松支持撤销操作
支持事务：可以将一组命令组合成一个事务，要么全部执行，要么全部不执行
支持队列和日志：可以将命令对象放入队列中，或者记录命令日志用于恢复系统状态
灵活性：可以在不改变现有代码的情况下，通过配置不同的命令对象来改变系统的行为
五、命令模式的应用场景
命令模式在以下场景中特别有用：
GUI操作：如按钮点击、菜单选择等，将用户操作封装为命令对象
事务系统：每个操作都可以封装为命令，支持回滚功能
批处理系统：将多个命令组合成宏命令批量执行
日志系统：记录命令执行历史，可用于恢复或审计
多级撤销：如文本编辑器中的撤销操作栈
任务调度：将任务封装为命令对象，放入队列中按计划执行
智能家居：如本文示例中的遥控器控制系统
游戏开发：将玩家操作封装为命令，支持回放功能
六、命令模式在开源框架中的应用
许多流行的开源框架都使用了命令模式：
Java Swing：Action接口就是命令模式的实现，用于处理按钮点击等事件
Spring Framework：TransactionTemplate使用了命令模式的思想
JUnit：测试用例的执行可以看作命令模式的实现
Android：Handler和Runnable的组合实现了命令模式
Hystrix：Netflix的容错库，将操作封装为HystrixCommand
七、命令模式与其他模式的关系
与策略模式：两者都使用组合来实现灵活性，但策略模式关注的是算法的替换，而命令模式关注的是请求的封装
与责任链模式：可以将多个命令组成责任链，依次执行
与备忘录模式：备忘录模式可用于保存命令执行前的状态，以支持撤销操作
与原型模式：可以使用原型模式来复制命令对象
八、命令模式的局限性
尽管命令模式非常强大，但也有其局限性：
类数量增加：每个具体命令都需要一个单独的类，可能导致类爆炸
复杂性增加：对于简单操作，使用命令模式可能会过度设计
性能开销：命令对象的创建和销毁可能带来额外的性能开销
九、最佳实践建议
合理使用：对于简单操作，直接调用可能更合适；对于复杂操作或需要支持撤销/重做的场景，使用命令模式
使用空对象：如示例中的NoCommand，可以避免null检查
考虑线程安全：在多线程环境中使用命令模式时，需要注意命令对象的线程安全性
结合其他模式：可以结合工厂模式创建命令对象，结合组合模式实现宏命令
结语
命令模式是一种强大的行为设计模式，它通过将请求封装为对象，实现了请求发送者和接收者的解耦，为系统提供了极大的灵活性。无论是GUI开发、事务处理还是游戏编程，命令模式都能发挥重要作用。理解并掌握命令模式，将帮助开发者设计出更加灵活、可扩展和可维护的软件系统。
希望通过本文的详细讲解，读者能够深入理解命令模式的精髓，并在实际开发中灵活运用。记住，设计模式不是银弹，而是工具箱中的工具，合理使用才能发挥最大价值。