訪問者模式 (Visitor Pattern)

定義

訪問者模式（Visitor Pattern）是一種行為型設計模式，用于將算法與其作用于的對象結構分離。這種模式主要用于執行操作或應用過程，這些操作需要在不同類型的對象上執行，同時避免讓這些對象的類變得過于復雜。

關鍵組成部分

訪問者（Visitor）：
- 一個接口或抽象類，定義了對不同類型元素（Element）的訪問操作。
- 實現了每種類型元素的操作，是將操作邏輯從元素類中分離出來的關鍵所在。
元素（Element）：
- 定義了一個接受訪問者的方法（通常為 accept），該方法允許訪問者對象訪問元素。
- 元素結構通常穩定，且含有多個接受訪問的方法，每個方法對應一種類型的訪問者。
具體元素（Concrete Element）：
- 實現元素接口，定義了 accept 方法的具體實現。
- 可能有多個不同類型的具體元素類，每個類都有自己的邏輯和接受訪問者的方式。
具體訪問者（Concrete Visitor）：
- 實現訪問者接口，定義了對每個元素類的具體操作。
- 可能有多個不同類型的具體訪問者，每個訪問者都實現了一套作用于元素的操作。

解決的問題

操作與對象結構的分離：在復雜對象結構中，經常需要執行各種不依賴于特定對象的操作。訪問者模式使得可以將這些操作從對象結構中分離出來，以減少這些操作對于對象結構的影響。
添加新操作的靈活性：當新的操作需要在這些對象上執行時，你可能不希望更改這些對象的類。訪問者模式允許你通過添加新的訪問者類來添加新的操作，而無需修改對象的類。
集中相關操作：在傳統的面向對象設計中，相關的操作可能分散在各個類中。訪問者模式允許你將相關操作集中在一個訪問者類中，這樣可以避免在對象結構中散布這些操作，從而提高代碼的組織性和可維護性。
擴展性：對于那些可能需要添加新操作的對象結構，訪問者模式提供了一種容易擴展的方式。你可以在不更改現有代碼的情況下，通過創建新的訪問者來添加新的操作。
聚合操作：在一些情況下，你可能需要對一個復雜的對象結構執行聚合操作，如遍歷、搜索或生成報告。訪問者模式使得這些操作可以被集中管理和維護。

使用場景

復雜對象結構：在復雜的對象結構中（如樹狀或圖狀結構），需要對結構中的各個對象執行操作，而這些操作依賴于對象的具體類型。訪問者模式允許在不修改這些對象類的情況下，添加新的操作。
添加新操作：當需要對一個對象結構添加新的操作，且不希望這些操作影響到對象的類時。訪問者模式允許將操作邏輯封裝在訪問者中，易于擴展。
避免"污染"對象類：如果在每個對象類中添加新操作會導致類變得復雜或不易維護，那么使用訪問者模式將這些操作外部化是一個好選擇。
不同的訪問者實現不同的操作：當同一個對象結構需要支持多種不同的操作，且這些操作是互相獨立的。例如，可能有一個用于渲染對象的訪問者，另一個用于檢查對象的完整性。
頻繁變更的操作：如果一組操作經常變更，但對象結構相對穩定，那么將這些操作作為訪問者的一部分，可以避免頻繁修改對象結構。
累積狀態：在遍歷一個復雜結構時，如果需要在訪問者中累積狀態，而不是在元素中累積，那么訪問者模式也是一個不錯的選擇。

示例代碼1-計算機部件訪問者

在這個例子中，我們定義了一個計算機部件（ComputerPart）的接口和一些具體部件類（Keyboard、Monitor、Mouse），以及一個訪問者接口（ComputerPartVisitor）和一個具體的訪問者實現（ComputerPartDisplayVisitor）。

// 訪問者接口
interface ComputerPartVisitor {void visit(Computer computer);void visit(Mouse mouse);void visit(Keyboard keyboard);void visit(Monitor monitor);
}// 元素接口
interface ComputerPart {void accept(ComputerPartVisitor computerPartVisitor);
}// 元素實現
class Keyboard implements ComputerPart {public void accept(ComputerPartVisitor computerPartVisitor) {computerPartVisitor.visit(this);}
}class Monitor implements ComputerPart {public void accept(ComputerPartVisitor computerPartVisitor) {computerPartVisitor.visit(this);}
}class Mouse implements ComputerPart {public void accept(ComputerPartVisitor computerPartVisitor) {computerPartVisitor.visit(this);}
}class Computer implements ComputerPart {ComputerPart[] parts;public Computer(){parts = new ComputerPart[] {new Mouse(), new Keyboard(), new Monitor()};		}public void accept(ComputerPartVisitor computerPartVisitor) {for (int i = 0; i < parts.length; i++) {parts[i].accept(computerPartVisitor);}computerPartVisitor.visit(this);}
}// 具體訪問者
class ComputerPartDisplayVisitor implements ComputerPartVisitor {public void visit(Computer computer) {System.out.println("Displaying Computer.");}public void visit(Mouse mouse) {System.out.println("Displaying Mouse.");}public void visit(Keyboard keyboard) {System.out.println("Displaying Keyboard.");}public void visit(Monitor monitor) {System.out.println("Displaying Monitor.");}
}// 客戶端
public class VisitorPatternDemo {public static void main(String[] args) {ComputerPart computer = new Computer();computer.accept(new ComputerPartDisplayVisitor());}
}

示例代碼2-媒體文件的操作

在這個例子中，我們有不同類型的媒體文件（如音頻文件和視頻文件），并希望執行不同的操作，例如播放和編碼。我們將定義媒體文件的接口和具體類，以及一個訪問者接口和兩個具體的訪問者實現。

// 媒體文件接口
interface MediaFile {void accept(MediaFileVisitor visitor);
}// 音頻文件
class AudioFile implements MediaFile {private String filename;public AudioFile(String filename) {this.filename = filename;}public String getFilename() {return filename;}@Overridepublic void accept(MediaFileVisitor visitor) {visitor.visit(this);}
}// 視頻文件
class VideoFile implements MediaFile {private String filename;public VideoFile(String filename) {this.filename = filename;}public String getFilename() {return filename;}@Overridepublic void accept(MediaFileVisitor visitor) {visitor.visit(this);}
}// 媒體文件訪問者接口
interface MediaFileVisitor {void visit(AudioFile audio);void visit(VideoFile video);
}// 播放操作訪問者
class PlayVisitor implements MediaFileVisitor {@Overridepublic void visit(AudioFile audio) {System.out.println("Playing audio file: " + audio.getFilename());}@Overridepublic void visit(VideoFile video) {System.out.println("Playing video file: " + video.getFilename());}
}// 編碼操作訪問者
class EncodeVisitor implements MediaFileVisitor {@Overridepublic void visit(AudioFile audio) {System.out.println("Encoding audio file: " + audio.getFilename());}@Overridepublic void visit(VideoFile video) {System.out.println("Encoding video file: " + video.getFilename());}
}public class VisitorDemo {public static void main(String[] args) {MediaFile audio = new AudioFile("song.mp3");MediaFile video = new VideoFile("movie.mp4");MediaFileVisitor playVisitor = new PlayVisitor();MediaFileVisitor encodeVisitor = new EncodeVisitor();audio.accept(playVisitor);video.accept(playVisitor);audio.accept(encodeVisitor);video.accept(encodeVisitor);}
}

在這個例子中，MediaFile 接口定義了接受訪問者的方法。AudioFile 和 VideoFile 是具體的媒體文件類。MediaFileVisitor 接口定義了訪問者的行為，而 PlayVisitor 和 EncodeVisitor 是具體的訪問者實現，它們實現了對不同媒體文件進行播放和編碼的操作。這樣，當需要為媒體文件添加新的操作時，我們只需要添加新的訪問者，而不必修改媒體文件類。

主要符合的設計原則

開閉原則（Open-Closed Principle）：
- 訪問者模式允許在不修改現有代碼的情況下引入新的操作。這意味著類可以保持開放以供擴展（通過添加新的訪問者來實現新的功能），但對修改是關閉的（因為你不需要改變現有的類和對象結構）。
單一職責原則（Single Responsibility Principle）：
- 在訪問者模式中，元素類的職責是維護其核心功能和數據，而訪問者類的職責是執行在這些元素上的特定操作。這種分離確保了單一職責原則，即每個類或模塊只有一個原因導致改變。
依賴倒置原則（Dependency Inversion Principle）：
- 訪問者模式通常定義了抽象訪問者和抽象元素接口，具體的訪問者和元素類都依賴于這些接口，而不是具體的實現。這符合依賴倒置原則，即高層模塊不應該依賴于低層模塊的具體實現，而應該依賴于抽象。
里氏替換原則（Liskov Substitution Principle）：
- 在訪問者模式中，可以用子類的對象替換父類的對象，而程序的行為不會發生變化。比如在訪問者模式中，可以用具體元素的子類來替換父類元素，而訪問者的行為不會改變。

在JDK中的應用

Java文件I/O（NIO）：
- java.nio.file.FileVisitor 接口是訪問者模式的一個經典應用。它用于遍歷文件系統的目錄樹。FileVisitor 接口定義了在訪問目錄樹的過程中可以執行的一系列操作（如訪問文件前后的操作），而具體的行為則由實現了 FileVisitor 接口的類定義。
- SimpleFileVisitor 類是 FileVisitor 的一個實現，它提供了對遍歷過程中各種事件的基本處理。
Java編譯API：
- 在 javax.lang.model 包中，Java編譯API使用了訪問者模式來處理抽象語法樹（AST）。這個API允許開發者在編譯時檢查、處理和生成Java代碼。
- Element 和 ElementVisitor 接口及其相關類在這個包中用于表示和訪問AST中的元素。
Java反射API：
- 在 java.lang.reflect 包中，反射API提供了一種訪問者風格的接口，用于檢查類和對象的運行時行為。例如，Visitor 模式用于在不同類型的 AnnotatedElement（如類、方法、字段等）上執行操作。