【设计模式】【行为型模式】访问者模式（Visitor）

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文章目录

  • 一、入门
    • 什么是访问者模式？
    • 为什么需要访问者模式？
    • 怎么实现访问模式？
  • 二、访问者模式在源码中的运用
    • ASM 框架（Java 字节码操作）
  • 三、总结
    • 访问者模式的优点
    • 访问者模式的缺点
    • 访问者模式的适用场景

一、入门

什么是访问者模式？

访问者模式（Visitor Pattern）是一种行为设计模式，允许你将算法与对象结构分离。通过这种方式，可以在不改变对象结构的情况下，向对象结构中的元素添加新的操作。

为什么需要访问者模式？

假设有一个图形对象结构，包含Circle和Rectangle两种元素，需要实现两种操作：计算面积和导出为JSON。
传统实现（无访问者模式）:

// 元素类
interface Shape {double calculateArea();  // 操作1：计算面积String toJson();        // 操作2：导出为JSON
}class Circle implements Shape {@Overridepublic double calculateArea() { /* 实现 */ }@Overridepublic String toJson() { /* 实现 */ }
}class Rectangle implements Shape {@Overridepublic double calculateArea() { /* 实现 */ }@Overridepublic String toJson() { /* 实现 */ }
}

问题

  1. 违反开闭原则
    • 当需要为对象结构添加新操作时（例如计算、导出、校验等），必须修改每个元素类的代码。
    • 示例：每新增一个操作（如导出为XML），所有Shape子类都需要修改。
  2. 代码冗余和分散
    • 相关操作分散在各个元素类中，难以集中管理。
    • 示例：如果“校验”逻辑分散在Circle.validate()和Rectangle.validate()中，维护和扩展会变得困难。
  3. 难以扩展复杂操作
    • 某些操作需要跨多个元素协作（例如统计图形的面积总合），直接写在元素类中会导致职责混乱。

怎么实现访问模式？

访问者模式的构成如下：

  1. Visitor（访问者）：定义了对每个元素（Element）的访问操作，通常为每个具体元素类提供一个访问方法。
  2. ConcreteVisitor（具体访问者）：实现Visitor接口，定义具体的操作。
  3. Element（元素）：定义一个接受访问者的方法（accept），通常是一个接口或抽象类。
  4. ConcreteElement（具体元素）：实现Element接口，提供具体的accept方法实现。
  5. ObjectStructure（对象结构）：包含一组元素，通常提供一个方法让访问者访问其中的所有元素。

【案例】图形对象结构 - 改
在这里插入图片描述
Visitor（访问者接口）：对应 ShapeVisitor 接口
作用：定义访问操作的接口，声明对不同具体元素（如Circle、Rectangle）的访问方法。

interface ShapeVisitor {void visit(Circle circle);    // 访问 Circle 元素void visit(Rectangle rectangle); // 访问 Rectangle 元素
}

ConcreteVisitor（具体访问者）:对应AreaCalculator和JsonExporter类
作用：实现 ShapeVisitor 接口，定义具体的操作逻辑（如计算面积、导出JSON）。

// 具体访问者1：计算面积
class AreaCalculator implements ShapeVisitor {@Overridepublic void visit(Circle circle) { /* 计算圆的面积 */ }@Overridepublic void visit(Rectangle rectangle) { /* 计算矩形的面积 */ }
}// 具体访问者2：导出为JSON
class JsonExporter implements ShapeVisitor {@Overridepublic void visit(Circle circle) { /* 导出圆的JSON */ }@Overridepublic void visit(Rectangle rectangle) { /* 导出矩形的JSON */ }
}

Element（元素接口）：对应Shape接口
作用：定义元素的通用行为，即通过accept方法接受访问者。

interface Shape {void accept(ShapeVisitor visitor); // 接受访问者的入口
}

ConcreteElement（具体元素）：对应Circle和Rectangle类
作用：实现Shape接口，在accept方法中将自身传递给访问者的具体方法（如visit(Circle)）。

class Circle implements Shape {@Overridepublic void accept(ShapeVisitor visitor) {visitor.visit(this); // 调用访问者的 visit(Circle) 方法}
}class Rectangle implements Shape {@Overridepublic void accept(ShapeVisitor visitor) {visitor.visit(this); // 调用访问者的 visit(Rectangle) 方法}
}

ObjectStructure（对象结构）：通常是一个管理元素集合的类。
作用：负责维护一组元素（如Shape对象），并提供遍历方法让访问者访问所有元素。

class ShapeCollection {private List<Shape> shapes = new ArrayList<>();public void addShape(Shape shape) {shapes.add(shape);}// 让访问者遍历所有元素public void accept(ShapeVisitor visitor) {for (Shape shape : shapes) {shape.accept(visitor);}}
}

二、访问者模式在源码中的运用

ASM 框架（Java 字节码操作）

ASM 框架是一个用于操作 Java 字节码的库，广泛用于动态生成类、修改类文件（如 AOP、代码增强）等场景。它通过访问者模式（Visitor Pattern）将字节码的解析和生成与具体操作解耦。
ASM 通过以下步骤实现字节码操作：

  1. 解析字节码：ClassReader 读取 .class 文件。
  2. 触发访问者：ClassReader 将字节码中的每个元素（类、方法、字段等）传递给 ClassVisitr。
  3. 处理元素：开发者通过自定义的 ClassVisitor 和 MethodVisitor 修改或分析字节码。
  4. 生成新字节码：ClassWriter 将修改后的字节码写入新的 .class 文件。

访问者模式角色 ASM 中的实现：

  1. Visitor： ClassVisitor、MethodVisitor、FieldVisitor等接口
  2. ConcreteVisitor： 开发者自定义的ClassVisitor、MethodVisitor实现
  3. Element： 字节码中的结构（类、方法、字段、指令等）
  4. ConcreteElement： 具体的类、方法、字段（如 visitMethod中的方法描述符）
  5. ObjectStructure： ClassReader（负责遍历类文件并触发访问者方法）

Visitor: 以ClassVisitor为例子，它的作用是，定义访问类结构的操作，例如访问类头、方法、字段等。

public abstract class ClassVisitor {protected final int api;protected ClassVisitor cv;...public void visit(final int version,final int access,final String name,final String signature,final String superName,final String[] interfaces) {if (api < Opcodes.ASM8 && (access & Opcodes.ACC_RECORD) != 0) {throw new UnsupportedOperationException("Records requires ASM8");}if (cv != null) {cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);}}...
ConcreteVisitor：我们用户自己实现的Visitor接口的类
public class TimerClassVisitor extends ClassVisitor {public TimerClassVisitor(ClassVisitor cv) {super(Opcodes.ASM9, cv);}@Overridepublic MethodVisitor visitMethod(int access, String name, String desc, String signature, String[] exceptions) {MethodVisitor mv = super.visitMethod(access, name, desc, signature, exceptions);// 为所有非构造方法添加计时逻辑if (!name.equals("<init>")) {mv = new MethodTimerVisitor(mv, name);}return mv;}
}

Element：在 ASM 框架中，Element的概念是隐式的，而不是显式地通过一个接口或类来表示。字节码中的各种结构（如类、方法、字段、指令等）可以被视为Element，但它们并没有一个统一的接口或基类。相反，ASM 通过访问者模式直接操作这些结构。

在 ASM 中，以下结构可以被视为Element：

  1. 类：通过 ClassVisitor.visit 方法的参数（如类名、父类、接口等）表示。
  2. 方法：通过 ClassVisitor.visitMethod 方法的参数（如方法名、描述符等）表示。
  3. 字段：通过 ClassVisitor.visitField 方法的参数（如字段名、类型等）表示。
  4. 指令：通过 MethodVisitor.visitInsn、visitMethodInsn 等方法的参数表示。

ConcreteElement ：在 ASM 框架中，ConcreteElement并不是通过一个显式的类或接口来表示的，而是通过访问者模式的方法参数隐式传递的。具体来说，字节码中的各种结构（如类、方法、字段、指令等）可以被视为ConcreteElement，但它们并没有一个统一的基类或接口。
在ClassVisitor.visit方法中，类的信息通过参数传递：

void visit(int version,              // 类版本int access,               // 访问标志（如 public、final）String name,              // 类名String signature,         // 泛型签名String superName,         // 父类名String[] interfaces       // 实现的接口
);

ObjectStructure：在 ASM 框架中，ClassReader就是这个角色，它负责读取类文件并触发访问者模式的方法调用。
以下是accept方法的简化伪代码，展示了ClassReader如何触发访问者方法：

public void accept(ClassVisitor cv, int parsingOptions) {// 解析类头cv.visit(version, access, name, signature, superName, interfaces);// 解析字段for (FieldInfo field : fields) {cv.visitField(field.access, field.name, field.desc, field.signature, field.value);}// 解析方法for (MethodInfo method : methods) {MethodVisitor mv = cv.visitMethod(method.access, method.name, method.desc, method.signature, method.exceptions);if (mv != null) {// 解析方法体for (Instruction insn : method.instructions) {mv.visitInsn(insn.opcode);}mv.visitEnd();}}// 结束访问cv.visitEnd();
}

三、总结

访问者模式的优点

  1. 开闭原则
    • 优点：新增操作时只需添加新的访问者类，无需修改现有的对象结构。
    • 示例：如果需要为类结构添加新的操作（如导出为XML），只需实现一个新的访问者类。
  2. 单一职责原则
    • 优点：将相关操作集中在一个访问者类中，便于维护和扩展。
    • 示例：将“计算面积”和“导出为JSON”的逻辑分别放在不同的访问者类中。
  3. 灵活性
    • 优点：可以在不修改对象结构的情况下，动态地为对象结构添加新的操作。
    • 示例：在编译器中使用访问者模式实现语法树的遍历和优化。
  4. 解耦数据结构与操作
    • 优点：将数据结构与操作逻辑分离，使得代码更清晰、更易于维护。
    • 示例：ASM 框架通过访问者模式将字节码解析与操作逻辑解耦。

访问者模式的缺点

  1. 增加新元素类型困难
    • 缺点：每增加一种新元素类型，所有访问者类都需要修改。
    • 示例：如果在类结构中新增一种元素（如注解），所有访问者类都需要添加对应的visit方法。
  2. 破坏封装
    • 缺点：访问者可能需要访问元素的私有成员，从而破坏封装性。
    • 示例：访问者可能需要直接访问类的私有字段来完成某些操作。
  3. 复杂性增加
    • 缺点：访问者模式引入了额外的类和接口，增加了代码的复杂性。
    • 示例：需要定义Visitor接口、ConcreteVisitor 实现类以及Element 接口。
  4. 性能开销
    • 缺点：双重分派机制可能带来一定的性能开销。
    • 示例：在性能敏感的场景中，访问者模式可能不如直接操作对象结构高效。

访问者模式的适用场景

  1. 对象结构稳定，但操作频繁变化
    • 场景：对象结构很少变化，但需要频繁添加新的操作。
    • 示例：编译器中的语法树遍历（如代码优化、静态分析）。
  2. 需要对对象结构进行多种不相关的操作
    • 场景：对象结构需要支持多种不相关的操作，且希望将这些操作集中管理。
    • 示例：文档对象模型（DOM）的遍历和操作（如渲染、导出、校验）。
  3. 操作需要跨多个元素协作
    • 场景：某些操作需要访问多个元素并协作完成。
    • 示例：统计文档中所有图片的尺寸总和。
  4. 避免污染元素类的代码
    • 场景：希望保持元素类的简洁，避免将操作逻辑分散在各个元素类中。
    • 示例：ASM 框架通过访问者模式避免将字节码操作逻辑分散在类、方法、字段等元素中。

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