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设计模式(行为型)-访问者模式

news 2025/7/2 11:37:10

定义

访问者模式的定义为：封装某些作用于某种数据结构中各元素的操作，它可以在不改变数据结构的前提下定义作用于这些元素的新的操作。其核心思想在于将数据结构和对数据结构的操作分离，使得对数据结构的操作可以独立变化，从而提高系统的可维护性和可扩展性。

举个生活中的例子，假设有一个动物园，里面有各种动物，如老虎、狮子、大象等。不同的游客来到动物园，可能有不同的目的，有的游客想要观察动物的习性，有的游客想要给动物拍照。在这个场景中，动物园里的动物就相当于数据结构中的元素，而游客就是访问者，游客对动物的不同操作就是访问者模式中定义的操作。通过访问者模式，我们可以轻松地添加新的游客（访问者），实现新的操作，而无需对动物（数据结构）本身进行修改。

类图

角色

访问者模式包含以下几个重要角色，它们相互协作，共同完成数据结构与操作的解耦：

抽象访问者（Visitor）：抽象类或者接口，声明访问者可以访问哪些元素，具体到程序中就是 visit 方法中的参数定义哪些对象是可以被访问的。它为所有具体访问者提供了统一的接口，使得不同的访问者可以以相同的方式访问元素。
访问者（ConcreteVisitor）：实现抽象访问者所声明的方法，它影响到访问者访问到一个类后该干什么，要做什么事情。每个具体访问者都针对不同的元素类型实现特定的操作，体现了访问者模式的灵活性。
抽象元素类（Element）：接口或者抽象类，声明接受哪一类访问者访问，程序上是通过 accept 方法中的参数来定义的。抽象元素一般有两类方法，一部分是本身的业务逻辑，另外就是允许接受哪类访问者来访问。它定义了元素与访问者交互的方式。
元素类（ConcreteElement）：实现抽象类所声明的 accept 方法，通常都是 visitor.visit (this)，基本上已经形成一种定式了。在具体元素类中，通过调用访问者的 visit 方法，将自身传递给访问者，从而让访问者对自己进行操作。
结构对象（ObjectStructure）：一个元素的容器，一般包含一个容纳多个不同类、不同接口的容器，如 List、Set、Map 等，在项目中一般很少抽象出这个角色。它负责管理元素，并提供遍历元素的方法，以便访问者对元素进行操作。

优缺点

优点

数据结构与操作解耦：使得数据结构和作用于结构上的操作解偶，使得操作集合可以独立变化。当数据结构保持稳定，而操作频繁变化时，访问者模式能够显著降低代码的耦合度，提高系统的可维护性。
新增操作便捷：添加新的操作或者说访问者会非常容易。只需要创建一个新的具体访问者类，实现抽象访问者接口中的方法，即可实现新的操作，无需修改数据结构相关的代码。
操作集中管理：将对各个元素的一组操作集中在一个访问者类当中，便于对操作进行统一管理和维护。这种集中式的设计使得代码结构更加清晰，易于理解和修改。
类层次结构稳定：使得类层次结构不改变的情况下，可以针对各个层次做出不同的操作，而不影响类层次结构的完整性。即使在复杂的类层次结构中，也能通过访问者模式灵活地添加新操作，保持系统的稳定性。
跨层次操作支持：可以跨越类层次结构，访问不同层次的元素类，做出相应的操作。这为处理复杂的数据结构提供了强大的能力，能够满足多样化的业务需求。
算法扩展容易：使得给结构稳定的对象增加新算法变得容易，提高了代码的可维护性和可拓展性。通过新增访问者类，开发者可以快速实现新的算法逻辑，而无需对现有数据结构进行大规模修改。

缺点

新增元素困难：增加新的元素会非常困难。因为在访问者类中，每个具体访问者都需要针对已有的元素类型实现相应的操作方法。当新增元素时，需要修改所有相关的访问者类，这会增加代码的维护成本和出错风险。
实现复杂度高：实现起来比较复杂，会增加系统的复杂性。访问者模式涉及多个角色和类之间的交互，需要开发者深入理解其设计思想和实现机制，否则容易导致代码混乱，难以调试和维护。
破坏封装性：破坏封装，如果将访问行为放在各个元素中，则可以不暴露元素的内部结构和状态，但使用访问者模式的时候，为了让访问者能获取到所关心的信息，元素类不得不暴露出一些内部的状态和结构。这违背了面向对象编程的封装原则，可能会增加系统的安全风险。

代码示例

为了更直观地理解访问者模式，我们以一个简单的图形绘制系统为例进行代码实现。在这个系统中，有不同类型的图形，如圆形和正方形，我们希望能够对这些图形进行不同的操作，如计算面积和周长。

首先，定义抽象元素类Shape：

public abstract class Shape {public abstract void accept(ShapeVisitor visitor);
}

然后，定义具体元素类Circle和Square：

public class Circle extends Shape {private double radius;public Circle(double radius) {this.radius = radius;}public double getRadius() {return radius;}@Overridepublic void accept(ShapeVisitor visitor) {visitor.visit(this);}
}public class Square extends Shape {private double sideLength;public Square(double sideLength) {this.sideLength = sideLength;}public double getSideLength() {return sideLength;}@Overridepublic void accept(ShapeVisitor visitor) {visitor.visit(this);}
}

接着，定义抽象访问者接口ShapeVisitor：

public interface ShapeVisitor {void visit(Circle circle);void visit(Square square);
}

再定义具体访问者类AreaCalculator和PerimeterCalculator：

public class AreaCalculator implements ShapeVisitor {@Overridepublic void visit(Circle circle) {double area = Math.PI * circle.getRadius() * circle.getRadius();System.out.println("Circle area: " + area);}@Overridepublic void visit(Square square) {double area = square.getSideLength() * square.getSideLength();System.out.println("Square area: " + area);}
}public class PerimeterCalculator implements ShapeVisitor {@Overridepublic void visit(Circle circle) {double perimeter = 2 * Math.PI * circle.getRadius();System.out.println("Circle perimeter: " + perimeter);}@Overridepublic void visit(Square square) {double perimeter = 4 * square.getSideLength();System.out.println("Square perimeter: " + perimeter);}
}

最后，定义结构对象类ShapeContainer：

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class ShapeContainer {private List<Shape> shapes = new ArrayList<>();public void addShape(Shape shape) {shapes.add(shape);}public void accept(ShapeVisitor visitor) {for (Shape shape : shapes) {shape.accept(visitor);}}
}

在客户端代码中，我们可以这样使用访问者模式：

public class Main {public static void main(String[] args) {ShapeContainer container = new ShapeContainer();container.addShape(new Circle(5));container.addShape(new Square(4));ShapeVisitor areaCalculator = new AreaCalculator();ShapeVisitor perimeterCalculator = new PerimeterCalculator();container.accept(areaCalculator);container.accept(perimeterCalculator);}
}

运行上述代码，将输出各个图形的面积和周长，展示了访问者模式如何在不改变图形数据结构的情况下，实现不同的操作。

应用场景

对象结构稳定，操作多变：当对象结构比较稳定，但是需要在对象结构的基础上定义新的操作时，访问者模式是一个理想的选择。例如，在一个文档处理系统中，文档的结构（如段落、标题、图片等）相对稳定，但用户可能需要对文档进行不同的操作，如打印、统计字数、检查拼写等。通过访问者模式，可以轻松地添加新的操作，而无需修改文档的结构。
同一类对象不同操作：需要对同一个类的不同对象执行不同的操作，但是不希望增加操作的时候改变这些类。比如在一个图形编辑软件中，对于不同的图形对象（如圆形、矩形、三角形），可能需要执行不同的绘制、旋转、缩放等操作。使用访问者模式，可以将这些操作封装在不同的访问者类中，避免在图形类中添加过多的操作方法，保持类的简洁性。
分离元素职责：当一个数据结构中，一些元素类需要负责与其不相关的操作的时候，为了将这些操作分离出去，以减少这些元素类的职责时，可以使用访问者模式。例如，在一个电子商务系统中，商品类主要负责存储商品的基本信息，如名称、价格、库存等。而对商品的操作，如计算折扣、统计销量等，可以通过访问者模式将这些操作分离到不同的访问者类中，使商品类专注于自身的核心职责。
消除类型判断：有时在对数据结构上的元素进行操作的时候，需要区分具体的类型，这时候使用访问者模式可以针对不同的类型，在访问者类中定义不同的操作，从而去除掉类型判断。例如，在一个编译器中，对于不同的语法树节点（如表达式节点、语句节点、声明节点等），需要执行不同的语义分析操作。通过访问者模式，可以将这些操作封装在不同的访问者类中，避免在语义分析代码中出现大量的类型判断语句，提高代码的可读性和可维护性。

访问者模式在实际框架中的应用

JDK 的 NIO 模块下的 FileVisitor 接口

在 JDK 的 NIO 模块中，FileVisitor接口是访问者模式的一个典型应用。FileVisitor接口定义了四个方法，分别用于访问文件或目录前、访问文件或目录后、访问失败时以及访问结束时的操作。通过实现FileVisitor接口，开发者可以自定义对文件系统的遍历和操作逻辑。例如，要实现一个文件搜索功能，只需要创建一个实现FileVisitor接口的类，在visitFile方法中判断文件是否符合搜索条件，即可在不修改文件系统数据结构的前提下，实现文件搜索操作。

Spring IoC 中的 BeanDefinitionVisitor

在 Spring IoC 容器中，BeanDefinitionVisitor类也运用了访问者模式。BeanDefinition表示 Spring 容器中的 Bean 定义，BeanDefinitionVisitor用于对BeanDefinition进行各种操作，如解析、修改等。通过BeanDefinitionVisitor，Spring 能够在不改变BeanDefinition结构的情况下，灵活地添加新的操作逻辑，实现对 Bean 定义的动态处理，增强了 Spring 框架的扩展性和灵活性。

总结与注意事项

访问者模式作为一种强大的设计模式，通过将数据结构与操作分离，为软件开发带来了诸多优势，特别是在对象结构稳定、操作多变的场景下，能够显著提高代码的可维护性和可扩展性。然而，它也存在一些缺点，如新增元素困难、实现复杂、破坏封装等。因此，在使用访问者模式时，开发者需要准确识别其适用场景，确保对象结构相对稳定，且主要需求是对数据结构进行多样化的操作。

同时，在实际应用中，还需要注意以下几点：