設計模式（二十四）行為型：訪問者模式詳解

訪問者模式（Visitor Pattern）是 GoF 23 種設計模式中最具爭議性但也最強大的行為型模式之一，其核心價值在于將作用于某種數據結構中的各元素的操作分離出來，封裝到一個獨立的訪問者對象中，使得在不改變元素類的前提下可以定義新的操作。它通過“雙重分派”（Double Dispatch）機制，解決了在靜態類型語言中對異構對象集合進行多態操作擴展的難題。訪問者模式是構建編譯器（語法樹遍歷）、文檔處理系統、復雜報表生成、UI 渲染引擎、靜態代碼分析工具等系統的理想選擇，是實現“開閉原則”在操作維度上的終極體現。

一、詳細介紹

訪問者模式解決的是“一個數據結構（如對象樹或列表）包含多種類型的元素，且需要對這些元素執行多種不同的、與元素本身無關的操作，且這些操作可能頻繁新增”的問題。在傳統設計中，通常將操作直接定義在元素類中。這導致：

違反單一職責原則：元素類承擔了數據和多種操作的職責。
難以擴展操作：新增操作需要修改所有元素類，違反開閉原則。
代碼分散：同一操作的邏輯分散在多個元素類中。

訪問者模式的核心思想是：將“數據結構”與“作用于數據的操作”解耦。數據結構中的元素接受一個訪問者對象作為參數，回調訪問者對象中對應其類型的方法。新的操作只需添加新的訪問者類，無需修改任何元素類。

該模式包含以下核心角色：

Visitor（訪問者接口）：聲明一組 visit() 方法，每個方法對應一種具體的元素類型（如 visit(ElementA), visit(ElementB)）。它定義了所有可執行操作的抽象接口。
ConcreteVisitor（具體訪問者）：實現 Visitor 接口，為每種元素類型提供具體的操作實現。每個具體訪問者代表一種獨立的操作（如打印、計算、導出）。
Element（元素接口）：聲明一個 accept(Visitor) 方法，允許訪問者“訪問”自身。
ConcreteElementA, ConcreteElementB, …（具體元素）：實現 Element 接口，實現 accept() 方法。在 accept() 中，調用訪問者的 visit(this) 方法，將自身作為參數傳入，觸發正確的 visit 方法（關鍵：this 的靜態類型是當前類，實現雙重分派）。
ObjectStructure（對象結構）：可選角色，表示包含元素的集合或復合結構（如樹、列表）。它提供一個接口，允許訪問者遍歷其所有元素，并調用每個元素的 accept() 方法。

訪問者模式的關鍵優勢：

符合開閉原則（操作維度）：新增操作只需添加新的 ConcreteVisitor，無需修改 Element 或 ConcreteElement。
符合單一職責原則：元素類只負責數據和 accept，操作邏輯集中在訪問者中。
操作集中化：同一操作的邏輯集中在單個訪問者類中，易于理解、維護和復用。
支持新操作：可以輕松添加如打印、統計、轉換、驗證等新操作。

訪問者模式的關鍵挑戰（雙重分派）：

第一重分派：在 ObjectStructure 中，調用 element.accept(visitor)。由于 element 是多態的，accept() 的調用會根據 element 的實際類型分派到 ConcreteElementA.accept() 或 ConcreteElementB.accept()。
第二重分派：在 ConcreteElementX.accept() 中，調用 visitor.visit(this)。this 的靜態類型是 ConcreteElementX，因此編譯器會選擇 visitor 上參數類型為 ConcreteElementX 的 visit 方法。即使 visitor 是多態的，visit 方法的重載選擇在編譯時基于 this 的靜態類型確定。

缺點與限制：

違反里氏替換原則：accept() 方法暴露了具體類型。
元素類難以修改：新增元素類型需要修改所有 Visitor 接口及其所有實現類，違反開閉原則（結構維度）。
復雜性高：理解雙重分派和模式結構需要較高心智負擔。
過度設計：對于簡單操作或穩定結構，可能不必要。

訪問者模式適用于：

數據結構穩定，但操作頻繁變化（如編譯器 AST）。
需要對復雜對象結構執行多種不同的操作。
操作需要訪問元素的私有成員（訪問者可通過友元或公共方法訪問）。
需要避免在元素類中堆積大量無關操作。

二、訪問者模式的UML表示

以下是訪問者模式的標準 UML 類圖：

圖解說明：

Element 接口定義 accept(Visitor)。
ConcreteElementX 實現 accept()，內部調用 visitor.visit(this)。
Visitor 接口為每種 ConcreteElement 聲明一個 visit 重載方法。
ConcreteVisitor 實現所有 visit 方法，提供具體操作。
ObjectStructure 管理元素集合，并提供 accept(Visitor) 遍歷所有元素。

三、一個簡單的Java程序實例及其UML圖

以下是一個文檔處理系統的示例，文檔包含段落（Paragraph）、圖片（Image）、表格（Table）元素，需要支持打印和統計字數操作。

Java 程序實例

// 訪問者接口
interface DocumentElementVisitor {void visit(Paragraph paragraph);void visit(Image image);void visit(Table table);
}// 元素接口
interface DocumentElement {void accept(DocumentElementVisitor visitor);
}// 具體元素：段落
class Paragraph implements DocumentElement {private String text;public Paragraph(String text) {this.text = text;}public String getText() {return text;}// accept 實現：回調訪問者，傳入自身（this）@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // 雙重分派的關鍵：this 是 Paragraph 類型}public void spellCheck() {System.out.println("🔍 段落拼寫檢查: " + text);}
}// 具體元素：圖片
class Image implements DocumentElement {private String filename;private int width;private int height;public Image(String filename, int width, int height) {this.filename = filename;this.width = width;this.height = height;}public String getFilename() {return filename;}public int getWidth() {return width;}public int getHeight() {return height;}@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // this 是 Image 類型}public void compress() {System.out.println("🗜?  壓縮圖片: " + filename);}
}// 具體元素：表格
class Table implements DocumentElement {private String[][] data;private int rows;private int cols;public Table(String[][] data) {this.data = data;this.rows = data.length;this.cols = data.length > 0 ? data[0].length : 0;}public String[][] getData() {return data;}public int getRows() {return rows;}public int getCols() {return cols;}@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // this 是 Table 類型}public void validate() {System.out.println("? 表格數據驗證: " + rows + "x" + cols + " 表格");}
}// 具體訪問者：打印訪問者
class PrintVisitor implements DocumentElementVisitor {@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {System.out.println("🖨?  打印段落: \"" + paragraph.getText() + "\"");}@Overridepublic void visit(Image image) {System.out.println("🖼?  打印圖片: " + image.getFilename() + " (" + image.getWidth() + "x" + image.getHeight() + ")");}@Overridepublic void visit(Table table) {System.out.println("📊 打印表格: " + table.getRows() + " 行, " + table.getCols() + " 列");for (int i = 0; i < table.getRows(); i++) {for (int j = 0; j < table.getCols(); j++) {System.out.print("[" + table.getData()[i][j] + "] ");}System.out.println();}}
}// 具體訪問者：字數統計訪問者
class WordCountVisitor implements DocumentElementVisitor {private int wordCount = 0;@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {String[] words = paragraph.getText().split("\\s+");int count = words.length;wordCount += count;System.out.println("📝 段落字數: \"" + paragraph.getText() + "\" -> " + count + " 詞");}@Overridepublic void visit(Image image) {// 圖片無文字，不計數，但可記錄System.out.println("🖼?  圖片: " + image.getFilename() + " (0 詞)");}@Overridepublic void visit(Table table) {int count = 0;for (int i = 0; i < table.getRows(); i++) {for (int j = 0; j < table.getCols(); j++) {if (table.getData()[i][j] != null && !table.getData()[i][j].trim().isEmpty()) {count += table.getData()[i][j].split("\\s+").length;}}}wordCount += count;System.out.println("📊 表格字數: " + count + " 詞");}// 獲取統計結果public int getWordCount() {return wordCount;}
}// 對象結構：文檔
class Document {private java.util.List<DocumentElement> elements = new java.util.ArrayList<>();public void addElement(DocumentElement element) {elements.add(element);}public void removeElement(DocumentElement element) {elements.remove(element);}// 接受訪問者，遍歷所有元素public void accept(DocumentElementVisitor visitor) {for (DocumentElement element : elements) {element.accept(visitor);}}
}// 客戶端使用示例
public class VisitorPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("📄 文檔處理系統 - 訪問者模式示例\n");// 創建文檔和元素Document document = new Document();document.addElement(new Paragraph("這是一個關于設計模式的文檔。"));document.addElement(new Image("diagram.png", 800, 600));document.addElement(new Paragraph("訪問者模式非常強大。"));document.addElement(new Table(new String[][]{{"模式", "類型", "用途"},{"訪問者", "行為型", "分離操作"},{"策略", "行為型", "替換算法"}}));document.addElement(new Paragraph("總結：訪問者模式適用于穩定結構。"));// 使用打印訪問者System.out.println("--- 執行打印操作 ---");PrintVisitor printVisitor = new PrintVisitor();document.accept(printVisitor); // 遍歷元素，觸發 accept -> visitSystem.out.println("\n--- 執行字數統計操作 ---");WordCountVisitor wordCountVisitor = new WordCountVisitor();document.accept(wordCountVisitor);System.out.println("📊 文檔總字數: " + wordCountVisitor.getWordCount() + " 詞");// 演示新增操作無需修改元素類System.out.println("\n--- 新增操作：元素類型檢查 ---");// 只需定義新訪問者class TypeCheckVisitor implements DocumentElementVisitor {@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {System.out.println("? 元素: 段落, 內容長度: " + paragraph.getText().length());}@Overridepublic void visit(Image image) {System.out.println("? 元素: 圖片, 文件: " + image.getFilename() + ", 尺寸: " + image.getWidth() + "x" + image.getHeight());}@Overridepublic void visit(Table table) {System.out.println("? 元素: 表格, 大小: " + table.getRows() + "x" + table.getCols());}}TypeCheckVisitor typeCheckVisitor = new TypeCheckVisitor();document.accept(typeCheckVisitor);}
}

實例對應的UML圖（簡化版）

運行說明：

DocumentElement 定義 accept()。
Paragraph, Image, Table 實現 accept()，內部調用 visitor.visit(this)。
DocumentElementVisitor 為每種元素聲明 visit 重載。
PrintVisitor, WordCountVisitor 實現 visit 方法，提供具體操作。
Document 的 accept() 遍歷所有元素，調用其 accept()。
新增 TypeCheckVisitor 無需修改任何元素類，完美體現開閉原則。

四、總結

特性	說明
核心目的	分離數據結構與操作，支持在不修改元素的情況下新增操作
實現機制	雙重分派：元素 `accept` 訪問者，訪問者 `visit` 元素
優點	符合開閉原則（操作維度）、操作集中化、支持新操作、符合單一職責
缺點	違反里氏替換、元素新增困難（違反開閉原則-結構維度）、復雜性高、依賴具體類型
適用場景	穩定數據結構（如AST）、多操作需求、編譯器、文檔處理、報表生成
不適用場景	結構頻繁變化、操作簡單、避免繼承/重載的語言