設計模式（十九）行為型：備忘錄模式詳解
備忘錄模式（Memento Pattern）是 GoF 23 種設計模式中的行為型模式之一，其核心價值在于在不破壞封裝性的前提下，捕獲并外部化一個對象的內部狀態，以便在之后能夠將該對象恢復到原先保存的狀態。它通過引入“備忘錄”對象來存儲原發器（Originator）的快照，由管理者（Caretaker）負責保存和管理這些快照，從而實現狀態的保存與恢復。備忘錄模式是實現撤銷（Undo）、重做（Redo）、事務回滾、游戲存檔、對象版本控制、配置快照等關鍵功能的基礎，是構建具備“時間旅行”能力、高容錯性和用戶友好性的系統的必備設計模式。
一、詳細介紹
備忘錄模式解決的是“需要保存對象在某一時刻的狀態，并在需要時恢復該狀態，但又不能暴露對象的內部實現細節”的問題。在傳統設計中，若要實現撤銷功能，可能會讓對象提供 getState() 和 setState() 方法，但這會破壞對象的封裝性，暴露其內部結構，導致耦合度高、安全性差。
備忘錄模式的核心思想是：將狀態的保存與恢復過程封裝在三個角色中，通過“窄接口”與“寬接口”的設計，既保證了封裝性，又實現了狀態管理。
該模式包含以下核心角色：
- Originator（原發器）：創建一個備忘錄來記錄當前內部狀態，并可在需要時根據備忘錄恢復狀態。它負責定義如何保存和恢復自身狀態。
- Memento（備忘錄）：存儲原發器的內部狀態。備忘錄對象的接口設計是關鍵：
- 窄接口（Narrow Interface）：對外（管理者）只暴露最小必要接口，通常無任何方法（或僅用于標識），防止管理者修改狀態。
- 寬接口（Wide Interface）：對原發器暴露完整狀態訪問權限，允許原發器讀取狀態以恢復自身。
在 Java 中，通常通過內部類或包級私有類實現，利用訪問控制機制實現接口隔離。
- Caretaker（管理者）：負責保存和管理備忘錄對象，但不能對備忘錄的內容進行任何操作或檢查。它只是“保管”備忘錄，并在需要時將其交還給原發器。
備忘錄模式的關鍵優勢：
- 保持封裝性：原發器的內部狀態通過備忘錄安全地外部化，管理者無法訪問或修改。
- 支持撤銷/重做：通過保存多個備忘錄（如棧結構），可實現多級撤銷與重做。
- 實現事務回滾：在操作失敗時，可恢復到操作前的狀態。
- 支持版本控制：可保存對象的歷史狀態快照。
- 解耦狀態管理：狀態的保存與恢復邏輯由原發器控制，管理者僅負責存儲。
與“命令模式”相比，命令封裝操作，備忘錄封裝狀態；命令常與備忘錄結合實現撤銷功能（命令執行前保存狀態）。與“觀察者模式”相比，觀察者關注狀態變化的通知，備忘錄關注狀態的保存與恢復。
備忘錄模式適用于：
- 需要實現撤銷/重做功能（如文本編輯器、圖形編輯器）。
- 需要事務性操作或回滾機制。
- 需要保存游戲進度或配置快照。
- 需要對象狀態的歷史版本管理。
二、備忘錄模式的UML表示
以下是備忘錄模式的標準 UML 類圖：
圖解說明：
Originator創建Memento保存狀態，并可從Memento恢復狀態。Memento存儲Originator的狀態。Caretaker保存Memento對象，但無法訪問其內容。- 實際實現中，
Memento的getState()方法通常設為private或包私有，僅Originator可訪問（通過內部類或友元機制）。
三、一個簡單的Java程序實例及其UML圖
以下是一個文本編輯器的示例，支持保存當前文本狀態并撤銷到之前的狀態。
Java 程序實例
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;// 備忘錄類：存儲編輯器狀態
// 使用包級私有類實現接口隔離
class EditorMemento {private final String content;private final long timestamp;// 包級私有構造函數，僅 Originator 可創建EditorMemento(String content) {this.content = content;this.timestamp = System.currentTimeMillis();}// 包級私有方法，僅 Originator 可讀取狀態String getContent() {return content;}long getTimestamp() {return timestamp;}@Overridepublic String toString() {return "Memento@" + timestamp + "[content='" + content + "']";}
}// 原發器：文本編輯器
class TextEditor {private String content = "";public void type(String text) {this.content += text;System.out.println("📝 輸入: \"" + text + "\"");System.out.println("📄 當前內容: \"" + content + "\"");}public String getContent() {return content;}// 創建備忘錄（保存當前狀態）public EditorMemento save() {System.out.println("💾 保存當前狀態到備忘錄");return new EditorMemento(content);}// 從備忘錄恢復狀態public void restore(EditorMemento memento) {this.content = memento.getContent();System.out.println("? 恢復到備忘錄狀態: " + memento);System.out.println("📄 恢復后內容: \"" + content + "\"");}
}// 管理者：歷史記錄
class History {private List<EditorMemento> mementos = new ArrayList<>();// 保存備忘錄public void push(EditorMemento memento) {mementos.add(memento);System.out.println("📦 管理者保存備忘錄，歷史記錄數量: " + mementos.size());}// 獲取備忘錄（通常按棧或隊列順序）public EditorMemento pop() {if (mementos.isEmpty()) {System.out.println("?? 無可用備忘錄");return null;}EditorMemento memento = mementos.remove(mementos.size() - 1);System.out.println("📤 管理者提供備忘錄，剩余數量: " + mementos.size());return memento;}public boolean isEmpty() {return mementos.isEmpty();}
}// 客戶端使用示例
public class MementoPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("📝 文本編輯器 - 備忘錄模式示例\n");// 創建原發器和管理者TextEditor editor = new TextEditor();History history = new History();// 初始狀態System.out.println("--- 初始狀態 ---");editor.type("Hello");// 保存狀態1System.out.println("\n--- 保存狀態1 ---");history.push(editor.save());// 修改狀態System.out.println("\n--- 修改狀態 ---");editor.type(" World");// 保存狀態2System.out.println("\n--- 保存狀態2 ---");history.push(editor.save());// 再次修改System.out.println("\n--- 再次修改 ---");editor.type("! How are you?");// 撤銷（恢復到狀態2）System.out.println("\n--- 執行撤銷 (Undo) ---");EditorMemento memento = history.pop();if (memento != null) {editor.restore(memento);}// 再次撤銷（恢復到狀態1）System.out.println("\n--- 再次撤銷 (Undo) ---");memento = history.pop();if (memento != null) {editor.restore(memento);}// 嘗試撤銷（無更多狀態）System.out.println("\n--- 再次撤銷 ---");memento = history.pop(); // 應為空// 演示：管理者無法訪問備忘錄內容System.out.println("\n💡 說明：管理者 (History) 無法讀取備忘錄內容，");System.out.println("🔒 保證了封裝性。備忘錄的 getContent() 方法是包私有。");}
}
實例對應的UML圖（簡化版）
運行說明：
TextEditor是原發器，維護文本內容。EditorMemento是備忘錄，存儲文本快照和時間戳。History是管理者，使用棧結構保存備忘錄，實現撤銷功能。- 客戶端通過
save()創建備忘錄并交由History保存。 - 通過
pop()獲取備忘錄并調用restore()恢復狀態。 EditorMemento的getContent()為包私有，僅TextEditor可訪問，History無法讀取內容，保證封裝性。
四、總結
| 特性 | 說明 |
|---|---|
| 核心目的 | 安全保存并恢復對象狀態，保持封裝性 |
| 實現機制 | 原發器創建備忘錄，管理者存儲，原發器恢復 |
| 優點 | 保持封裝性、支持撤銷/重做、實現回滾、解耦狀態管理 |
| 缺點 | 可能消耗大量內存（保存多個快照）、管理復雜狀態時備忘錄設計復雜 |
| 適用場景 | 撤銷/重做、事務回滾、游戲存檔、配置快照、版本控制 |
| 不適用場景 | 狀態極小或無需保存、性能極度敏感、狀態頻繁變化 |
備忘錄模式使用建議：
- 使用窄接口設計，防止管理者訪問內部狀態。
- 考慮內存開銷，可實現快照壓縮、增量保存或限制歷史記錄長度。
- 可結合命令模式，命令對象在執行前保存備忘錄。
- 在 Java 中，可使用內部類實現備忘錄，天然支持訪問控制。
架構師洞見：
備忘錄模式是“狀態持久化”與“時間控制”的抽象。在現代架構中，其思想已演變為事件溯源（Event Sourcing）、CQRS（命令查詢職責分離）、數據庫事務日志 和 分布式快照 的核心。例如，在事件溯源中，對象狀態由事件流重建，每個事件相當于一個“操作備忘錄”；在分布式系統中，Raft 或 Paxos 算法使用日志（Log）作為狀態變更的備忘錄；在云原生中，Kubernetes 的etcd存儲集群狀態快照；在 AI 訓練中，模型檢查點（Checkpoint）是典型的備忘錄應用。未來趨勢是：備忘錄將與區塊鏈結合，每個區塊是系統狀態的不可變備忘錄；在量子計算中，量子態的測量與保存面臨“觀測即改變”的挑戰，需要新型備忘錄機制；在元宇宙中，用戶虛擬形象的狀態快照是跨世界遷移的基礎；在AI Agent 中，Agent 的記憶（Memory）可視為一種高級備忘錄，存儲其經驗與狀態。
掌握備忘錄模式，有助于設計出具備容錯性、可追溯性、用戶友好性的系統。作為架構師，應在設計需要“撤銷”、“回滾”或“歷史狀態管理”的功能時，優先考慮備忘錄模式。備忘錄不僅是模式，更是系統韌性的保障——它提醒我們：真正的健壯性，不僅在于正確執行操作，更在于當錯誤發生時，系統有能力優雅地“回到過去”，從錯誤中學習并恢復，而非陷入不可逆的崩潰。
 的解決方案)
