GOF設計模式-對象結構型模式-橋接模式

處理多維度變化-橋接模式

      在正式介紹橋接模式之前，我先跟大家談談兩種常見文具的區別，它們是毛筆和蠟筆。假如 我們需要大中小3種型號的畫筆，能夠繪製12種不同的顏色，如果使用蠟筆，需要準備3×12 = 36支，但如果使用毛筆的話，只需要提供3種型號的毛筆，外加12個顏料盒即可，涉及到的對 象個數僅爲 3 + 12 = 15，遠小於36，卻能實現與36支蠟筆同樣的功能。如果增加一種新型號的 畫筆，並且也需要具有12種顏色，對應的蠟筆需增加12支，而毛筆只需增加一支。爲什麼會 這樣呢？通過分析我們可以得知：在蠟筆中，顏色和型號兩個不同的變化維度（即兩個不同 的變化原因）融合在一起，無論是對顏色進行擴展還是對型號進行擴展都勢必會影響另一個 維度；但在毛筆中，顏色和型號實現了分離，增加新的顏色或者型號對另一方都沒有任何影 響。如果使用軟件工程中的術語，我們可以認爲在蠟筆中顏色和型號之間存在較強的耦合 性，而毛筆很好地將二者解耦，使用起來非常靈活，擴展也更爲方便。在軟件開發中，我們 也提供了一種設計模式來處理與畫筆類似的具有多變化維度的情況，即本章將要介紹的橋接 模式。

橋接模式定義：

橋接模式(Bridge Pattern)：將抽象部分與它的實現部分分離，使它們都可以獨立地變化。它是 一種對象結構型模式，又稱爲柄體(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。

橋接模式用一種巧妙的方式處理多層繼承存在的問題，用抽象關聯取代了傳統的多層繼承， 將類之間的靜態繼承關係轉換爲動態的對象組合關係，使得系統更加靈活，並易於擴展，同 時有效控制了系統中類的個數

橋接模式結構：

舉個栗子：

軟件公司欲開發一個跨平臺圖像瀏覽系統，要求該系統能夠顯示BMP、JPG、GIF、 PNG等多種格式的文件，並且能夠在Windows、Linux、Unix等多個操作系統上運行。系統首 先將各種格式的文件解析爲像素矩陣(Matrix)，然後將像素矩陣顯示在屏幕上，在不同的操作 系統中可以調用不同的繪製函數來繪製像素矩陣。系統需具有較好的擴展性以支持新的文件 格式和操作系統。 

軟件公司的開發人員針對上述要求，提出了一個初始設計方案，基本結構如圖：（反面教材）

 

 

 初始設計方案中，使用了一種多層繼承結構，Image是抽象父類，而每一種類型的 圖像類，如BMPImage、JPGImage等作爲其直接子類，不同的圖像文件格式具有不同的解析方 法，可以得到不同的像素矩陣；由於每一種圖像又需要在不同的操作系統中顯示，不同的操 作系統在屏幕上顯示像素矩陣有所差異，因此需要爲不同的圖像類再提供一組在不同操作系 統顯示的子類，如爲BMPImage提供三個子類BMPWindowsImp、BMPLinuxImp和 BMPUnixImp，分別用於在Windows、Linux和Unix三個不同的操作系統下顯示圖像。 我們現在對該設計方案進行分析，發現存在如下兩個主要問題： (1)由於採用了多層繼承結構，導致系統中類的個數急劇增加，圖10-1中，在各種圖像的操作 系統實現層提供了12個具體類，加上各級抽象層的類，系統中類的總個數達到了17個，在該 設計方案中，具體層的類的個數 = 所支持的圖像文件格式數×所支持的操作系統數。 (2)系統擴展麻煩，由於每一個具體類既包含圖像文件格式信息，又包含操作系統信息，因此 無論是增加新的圖像文件格式還是增加新的操作系統，都需要增加大量的具體類，例如在圖 10-1中增加一種新的圖像文件格式TIF，則需要增加3個具體類來實現該格式圖像在3種不同操 作系統的顯示；如果增加一個新的操作系統Mac OS，爲了在該操作系統下能夠顯示各種類型 的圖像，需要增加4個具體類。這將導致系統變得非常龐大，增加運行和維護開銷。 如何解決這兩個問題？我們通過分析可得知，該系統存在兩個獨立變化的維度：圖像文件格 式和操作系統：

如何將各種不同類型的圖像文件解析爲像素矩陣與圖像文件格式本身相關，而如 何在屏幕上顯示像素矩陣則僅與操作系統相關。正因爲圖所示結構將這兩種職責集中在一 個類中，導致系統擴展麻煩，從類的設計角度分析，具體類BMPWindowsImp、BMPLinuxImp 和BMPUnixImp等違反了“單一職責原則”，因爲不止一個引起它們變化的原因，它們將圖像文 件解析和像素矩陣顯示這兩種完全不同的職責融合在一起，任意一個職責發生改變都需要修 改它們，系統擴展困難。 如何改進？我們的方案是將圖像文件格式（對應圖像格式的解析）與操作系統（對應像素矩 陣的顯示）兩個維度分離，使得它們可以獨立變化，增加新的圖像文件格式或者操作系統時 都對另一個維度不造成任何影響。看到這裏，大家可能會問，到底如何在軟件中實現將兩個 維度分離呢？不用着急，本章我將爲大家詳細介紹一種用於處理多維度變化的設計模式—— 橋接模式。
 

完整解決方案：

Image充當抽象類，其子類JPGImage、PNGImage、BMPImage和GIFImage充當擴 充抽象類；ImageImp充當實現類接口，其子類WindowsImp、LinuxImp和UnixImp充當具體實 現類。完整代碼如下所示：

 

//像素矩陣類：輔助類，各種格式的文件最終都被轉化爲像素矩陣，不同的操作系統提供不同的方式顯示像
class Matrix {                        //此處代碼省略
}
//抽象圖像類：抽象類
abstract class Image {
    protected ImageImp imp;
    public void setImageImp(ImageImp imp) {
        this.imp = imp;
    }
    public abstract void parseFile(String fileName);
}
//抽象操作系統實現類：實現類接口
interface ImageImp {
    public void doPaint(Matrix m);
//顯示像素矩陣m
}
//Windows操作系統實現類：具體實現類
class WindowsImp implements ImageImp {
    public void doPaint(Matrix m) {                                        //調用Windows系統的繪製函數繪製像素矩陣
        System.out.print("在Windows操作系統中顯示圖像：");
    }
}
//Linux操作系統實現類：具體實現類
class LinuxImp implements ImageImp {
    public void doPaint(Matrix m) {                                        //調用Linux系統的繪製函數繪製像素矩陣
        System.out.print("在Linux操作系統中顯示圖像：");
    }
}
//Unix操作系統實現類：具體實現類
class UnixImp implements ImageImp {
    public void doPaint(Matrix m) {                                        //調用Unix系統的繪製函數繪製像素矩陣
        System.out.print("在Unix操作系統中顯示圖像：");
    }
}
//JPG格式圖像：擴充抽象類
class JPGImage extends Image {
    public void parseFile(String fileName) {                                        //模擬解析JPG文件並獲得一個像素矩陣對象m;
        Matrix m = new Matrix();
        imp.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式爲JPG。");
    }
}
//PNG格式圖像：擴充抽象類
class PNGImage extends Image {
    public void parseFile(String fileName) {                                        //模擬解析PNG文件並獲得一個像素矩陣對象m;
        Matrix m = new Matrix();
        imp.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式爲PNG。");
    }
}
//BMP格式圖像：擴充抽象類
class BMPImage extends Image {
    public void parseFile(String fileName) {                                        //模擬解析BMP文件並獲得一個像素矩陣對象m;
        Matrix m = new Matrix();
        imp.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式爲BMP。");
    }
}
//GIF格式圖像：擴充抽象類
class GIFImage extends Image {
    public void parseFile(String fileName) {                                        //模擬解析GIF文件並獲得一個像素矩陣對象m;
        Matrix m = new Matrix();
        imp.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式爲GIF。");
    }
}

 

 橋接模式總結

橋接模式是設計Java虛擬機和實現JDBC等驅動程序的核心模式之一，應用較爲廣泛。在軟件 開發中如果一個類或一個系統有多個變化維度時，都可以嘗試使用橋接模式對其進行設計。 橋接模式爲多維度變化的系統提供了一套完整的解決方案，並且降低了系統的複雜度。 1.主 要優點
橋接模式的主要優點如下：
(1)分離抽象接口及其實現部分。橋接模式使用“對象間的關聯關係”解耦了抽象和實現之間固 有的綁定關係，使得抽象和實現可以沿着各自的維度來變化。所謂抽象和實現沿着各自維度 的變化，也就是說抽象和實現不再在同一個繼承層次結構中，而是“子類化”它們，使它們各自 都具有自己的子類，以便任何組合子類，從而獲得多維度組合對象。
(2)在很多情況下，橋接模式可以取代多層繼承方案，多層繼承方案違背了“單一職責原則”， 複用性較差，且類的個數非常多，橋接模式是比多層繼承方案更好的解決方法，它極大減少 了子類的個數。
(3)橋接模式提高了系統的可擴展性，在兩個變化維度中任意擴展一個維度，都不需要修改原 有系統，符合“開閉原則”。
2.主要缺點
橋接模式的主要缺點如下：
(1)橋接模式的使用會增加系統的理解與設計難度，由於關聯關係建立在抽象層，要求開發者 一開始就針對抽象層進行設計與編程。
(2)橋接模式要求正確識別出系統中兩個獨立變化的維度，因此其使用範圍具有一定的侷限 性，如何正確識別兩個獨立維度也需要一定的經驗積累。
3.適用場景
在以下情況下可以考慮使用橋接模式：
(1)如果一個系統需要在抽象化和具體化之間增加更多的靈活性，避免在兩個層次之間建立靜 態的繼承關係，通過橋接模式可以使它們在抽象層建立一個關聯關係。
(2)“抽象部分”和“實現部分”可以以繼承的方式獨立擴展而互不影響，在程序運行時可以動態 將一個抽象化子類的對象和一個實現化子類的對象進行組合，即系統需要對抽象化角色和實 現化角色進行動態耦合。
(3)一個類存在兩個（或多個）獨立變化的維度，且這兩個（或多個）維度都需要獨立進行擴 展。
(4)對於那些不希望使用繼承或因爲多層繼承導致系統類的個數急劇增加的系統，橋接模式尤 爲適用。