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设计模式（二十二）行为型：策略模式详解

news 2025/7/29 5:47:48

设计模式（二十二）行为型：策略模式详解

策略模式（Strategy Pattern）是 GoF 23 种设计模式中最具实用性和广泛影响力的行为型模式之一，其核心价值在于定义一系列算法或行为，并将每个算法封装到独立的类中，使得它们可以相互替换，且算法的变化独立于使用它的客户端。它通过将“算法”与“使用算法的上下文”解耦，实现了行为的动态配置与高度可扩展性。策略模式是构建可配置系统、实现多态行为、支持插件化架构、优化性能选择、实现业务规则引擎、支持 A/B 测试等场景的基石，是将“算法即服务”理念落地的关键设计范式。

一、详细介绍

策略模式解决的是“一个类有多种实现同一功能的算法，且这些算法需要在运行时根据条件动态选择，或需要独立于客户端进行扩展和维护”的问题。在传统设计中，通常使用条件语句（如 if-else 或 switch-case）根据配置或参数选择不同的算法分支。这导致：

代码臃肿：所有算法逻辑集中在单一方法或类中。
难以扩展：新增算法需要修改现有代码，违反开闭原则。
难以复用：算法逻辑无法独立复用。
紧耦合：上下文类与具体算法实现紧密耦合。

策略模式的核心思想是：将每个算法封装成一个独立的类（策略类），这些类实现一个共同的策略接口。上下文类（Context）持有对策略接口的引用，通过多态调用算法，而无需知道具体实现。算法的切换通过注入不同的策略对象实现。

该模式包含以下核心角色：

Context（上下文）：定义客户端使用的接口，包含一个对 Strategy 接口的引用。它将算法相关的请求委托给策略对象执行，而不关心具体实现。
Strategy（策略接口）：定义所有具体策略类共有的操作接口（如 execute()、calculate()）。它声明了算法的抽象行为。
ConcreteStrategyA, ConcreteStrategyB, …（具体策略类）：实现 Strategy 接口，封装具体的算法或行为实现。每个具体策略提供一种算法的完整实现。

策略模式的关键优势：

符合开闭原则：新增算法只需添加新的具体策略类，无需修改上下文或客户端代码。
符合单一职责原则：每个策略类只负责一种算法的实现。
算法可独立复用：策略类可被多个上下文或系统复用。
支持运行时切换：上下文可在运行时动态更换策略对象。
消除条件语句：将 switch 逻辑转化为对象组合。
易于单元测试：每个策略可独立测试。

与“状态模式”相比，策略模式关注算法的替换，状态模式关注状态驱动的行为变化；策略通常由客户端或配置决定，状态转换由内部逻辑驱动。与“命令模式”相比，命令封装请求，策略封装算法。与“模板方法模式”相比，模板方法在编译时通过继承固定算法骨架，策略在运行时通过组合动态选择算法。

策略模式适用于：

多种算法实现同一功能（如排序、压缩、加密、支付方式、运费计算）。
需要运行时动态选择算法。
需要避免庞大的条件分支。
需要独立测试或复用算法。
实现业务规则引擎或配置化行为。

二、策略模式的UML表示

以下是策略模式的标准 UML 类图：

图解说明：

Context 持有对 Strategy 接口的引用。
Context 通过 setStrategy() 接受不同的策略实现。
Context 的 executeStrategy() 方法将调用委托给当前 Strategy 的 execute()。
ConcreteStrategy 实现 execute()，提供具体算法。
客户端通过向 Context 注入不同的 ConcreteStrategy 来改变其行为。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个电商系统中运费计算的示例，支持多种运费计算策略（标准、加急、免费）。

Java 程序实例

// 策略接口：运费计算器
interface ShippingCostStrategy {double calculate(double weight, double distance);
}// 具体策略：标准运费
class StandardShippingStrategy implements ShippingCostStrategy {private static final double RATE_PER_KG = 2.5;private static final double RATE_PER_KM = 0.1;@Overridepublic double calculate(double weight, double distance) {double cost = (weight * RATE_PER_KG) + (distance * RATE_PER_KM);System.out.println("📦 标准运费: " + weight + "kg × $" + RATE_PER_KG + "/kg + " + distance + "km × $" + RATE_PER_KM + "/km = $" + cost);return cost;}
}// 具体策略：加急运费
class ExpressShippingStrategy implements ShippingCostStrategy {private static final double BASE_FEE = 15.0;private static final double PREMIUM_RATE = 0.5; // per km@Overridepublic double calculate(double weight, double distance) {double cost = BASE_FEE + (distance * PREMIUM_RATE);// 重量影响较小，主要按距离和基础费System.out.println("⚡ 加急运费: 基础费 $" + BASE_FEE + " + " + distance + "km × $" + PREMIUM_RATE + "/km = $" + cost);return cost;}
}// 具体策略：免费运费（促销活动）
class FreeShippingStrategy implements ShippingCostStrategy {@Overridepublic double calculate(double weight, double distance) {System.out.println("🎁 免费运费: 订单满足促销条件，运费为 $0.00");return 0.0;}
}// 上下文：购物车
class ShoppingCart {private double totalAmount;private double weight;private double distance;private ShippingCostStrategy shippingStrategy; // 持有策略引用public ShoppingCart(double totalAmount, double weight, double distance) {this.totalAmount = totalAmount;this.weight = weight;this.distance = distance;// 默认策略：标准运费this.shippingStrategy = new StandardShippingStrategy();System.out.println("🛒 购物车创建: 金额=$" + totalAmount + ", 重量=" + weight + "kg, 距离=" + distance + "km");}// 动态设置运费策略public void setShippingStrategy(ShippingCostStrategy strategy) {this.shippingStrategy = strategy;System.out.println("🔄 运费策略已切换");}// 计算总费用（商品金额 + 运费）public double calculateTotal() {double shippingCost = shippingStrategy.calculate(weight, distance);double total = totalAmount + shippingCost;System.out.println("💰 订单总费用: $" + totalAmount + " + $" + shippingCost + " = $" + total);return total;}// 根据订单金额自动应用免费运费（演示策略选择逻辑）public void applyPromotion() {if (totalAmount >= 100.0) {System.out.println("🎉 订单金额 ≥ $100，应用免费运费促销！");setShippingStrategy(new FreeShippingStrategy());} else {System.out.println("🛒 订单金额 < $100，不满足免费运费条件。");}}
}// 客户端使用示例
public class StrategyPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("🛒 电商运费计算系统 - 策略模式示例\n");// 场景1: 普通订单，使用标准运费System.out.println("--- 场景1: 普通订单 ($80) ---");ShoppingCart cart1 = new ShoppingCart(80.0, 5.0, 200.0);cart1.calculateTotal(); // 使用默认标准策略System.out.println("\n--- 切换为加急运费 ---");cart1.setShippingStrategy(new ExpressShippingStrategy());cart1.calculateTotal();// 场景2: 大额订单，应用促销System.out.println("\n\n--- 场景2: 大额订单 ($120) ---");ShoppingCart cart2 = new ShoppingCart(120.0, 3.0, 150.0);cart2.applyPromotion(); // 自动应用免费运费cart2.calculateTotal();System.out.println("\n--- 手动切换回标准运费（演示灵活性）---");cart2.setShippingStrategy(new StandardShippingStrategy());cart2.calculateTotal();}
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

ShoppingCart 是上下文，持有 ShippingCostStrategy 引用。
ShippingCostStrategy 定义运费计算接口。
三种具体策略实现不同的计算逻辑。
ShoppingCart 通过 setShippingStrategy() 动态更换策略。
calculateTotal() 委托给当前策略的 calculate() 方法。
applyPromotion() 演示了根据业务规则自动选择策略。

四、总结

特性	说明
核心目的	封装可互换的算法，实现算法与使用的解耦
实现机制	定义策略接口，上下文委托调用具体策略
优点	符合开闭/单一职责原则、消除条件分支、支持运行时切换、算法可复用、易于测试
缺点	增加类数量、客户端需了解策略类型、简单算法可能过度设计
适用场景	多种算法选择、配置化行为、插件化架构、业务规则引擎、A/B测试
不适用场景	算法极少、行为固定、性能极度敏感（虚函数调用开销）

策略模式使用建议：

策略类可设计为无状态（推荐），便于共享和线程安全。
可结合“工厂模式”或“依赖注入”创建和注入策略。
在 Java 中，enum 可实现简单策略（每个常量实现接口）。
可结合“组合模式”实现复合策略。

架构师洞见：
策略模式是“关注点分离”与“依赖倒置”原则的典范。在现代架构中，其思想已演变为微服务架构（每个服务是业务策略的实现）、插件系统（如 IDE 插件、浏览器扩展）、A/B 测试框架（不同策略对应不同用户组）、机器学习模型服务（不同模型作为预测策略）和 云原生配置管理（不同环境使用不同策略）。例如，Spring 框架的 PasswordEncoder、LoadBalancer 都是策略模式的应用；Kubernetes 的调度器可选择不同调度策略；在 AI 推理服务中，不同模型版本作为策略被动态切换。

未来趋势是：策略模式将与Serverless 架构深度融合，每个函数即一个策略；在边缘计算中，设备根据网络状况选择数据处理策略；在量子计算中，不同量子算法作为策略被选择；在元宇宙中，用户交互逻辑可配置为不同策略。

掌握策略模式，是设计灵活、可配置、可演进系统的必备技能。作为架构师，应在设计任何需要“多选项”、“可配置行为”或“算法替换”的模块时，优先考虑策略模式。它不仅是模式，更是系统适应性的灵魂——它让系统摆脱了硬编码的束缚，具备了在变化的环境中动态选择最优路径的能力，从而构建出能够持续进化、自我优化的智能软件生态系统。