Strategy Pattern (策略模式)

所謂 Strategy Pattern 的精神，就是將策略 (算法) 封裝為一個對象，易于相互替換，如同 USB 設備一樣可即插即用；而不是將策略、具體的算法和行為，硬編碼在某個類或客戶程序中，導至事后的修改和擴展不易。

若有多種「策略」，就將這些個策略，和這些策略的算法、行為，封裝在各個類中，并讓這些類，去繼承某個公用的抽象類或接口。接著在客戶程序中，就可動態引用，且易于更換這些不同的「策略」，不會因為日后添加、修改了某一個「策略」，就得重新修改、編譯多處的源代碼。此即為一種「封裝變化點」的做法，將常會變化的部分進行抽象、定義為接口，亦即實現「面向接口編程」的概念。且客戶程序 (調用者) 只須知道接口的外部定義即可，具體的實現則無須理會。

The Strategy Pattern defines a family of algorithms, encapsulates each one, and makes them interchangeable. Strategy lets the algorithm vary independently from clients that use it.
                                 － Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software

Strategy Pattern 適用的情景：

• 應用中的許多類，在解決某些問題時很相似，但實現的行為有所差異。比如：不同功能的程序，都可能要用到「排序」算法。
• 根據運行環境的不同，需要采用不同的算法。比如：在手機、PC 計算機上，因硬件等級不同，必須采用不同的排序算法。
• 針對給定的目的，存在多種不同的算法，且我們可用代碼實現算法選擇的標準。
• 需要封裝復雜的數據結構。比如：特殊的加密算法，客戶程序僅需要知道調用的方式即可。
• 同上，算法中的羅輯和使用的數據，應該與客戶程序隔離時。

圖 1　這張為很多書籍和文檔都曾出現過的 Strategy 經典 Class Diagram

01_Shell.aspx.cs
using System;
using com.cnblogs.WizardWu.sample01;

//客戶程序
public partial class _01_Shell : System.Web.UI.Page
{    
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        //執行對象
        Context context;

        context = new Context(new ConcreteStrategyA());
        Response.Write(context.ContextInterface() + "
");

        context = new Context(new ConcreteStrategyB());
        Response.Write(context.ContextInterface() + "
");

        context = new Context(new ConcreteStrategyC());
        Response.Write(context.ContextInterface() + "
");
    }
}

namespace com.cnblogs.WizardWu.sample01
{
    //抽象算法類 (亦可用接口)。定義了所有策略的公共接口
    abstract class Strategy
    {
        //算法需要完成的功能
        public abstract string AlgorithmInterface();
    }

    //具體算法類A
    class ConcreteStrategyA : Strategy
    {
        //算法A實現方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法A實現";
        }
    }

    //具體算法類B
    class ConcreteStrategyB : Strategy
    {
        //算法B實現方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法B實現";
        }
    }

    //具體算法類C
    class ConcreteStrategyC : Strategy
    {
        //算法C實現方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法C實現";
        }
    }

    //執行對象。需要采用可替換策略執行的對象
    class Context
    {
        Strategy strategy;

        public Context(Strategy strategy)        //構造函數
        {
            this.strategy = strategy;
        }

        //執行對象依賴于策略對象的操作方法
        public string ContextInterface()
        {
            return strategy.AlgorithmInterface();
        }
    }

} // end of namespace


/* 

結行結果:

算法A實現
算法B實現
算法C實現

*/

上方的「Shell (殼)」示例中，最下方的 Context 類，為一種維護上下文信息的類，讓 Strategy 類 (或 IStrategy 接口) 及其子類對象的算法，能運行在這個上下文里。

下方的圖 2 及其代碼，為此 Shell 示例和 Strategy Pattern 的一個具體實現示例。我們知道，Linux 和 Windows 操作系統，在文本文件的「換行符」是不同的，前者為「\n」，后者為「\r\n」。若我們要設計一個文本編輯工具，或簡易的編程工具，必須要能隨時轉換這兩種不同操作系統的換行符 (假設 .NET 已可執行于 Linux 上)。此時我們即不該在客戶程序 (如：ASP.NET 頁面的 Code-Behind) 中用硬編碼 switch...case 的 hard coding 寫法，而應如下方示例，以 Strategy Pattern 實現此一功能，并將這些算法 (策略) 各自封裝在各個子類中 (如 ASP.NET 項目的 App_Code 文件夾中的類，或其他類庫項目中的類)，使他們易于組合、更換，便于日后的維護和修改。

圖 2　示例 02_Strategy.aspx.cs 的 Class Diagram。此為 Sybase PowerDesigner 的「Reverse Engineer」功能，所自動產生的圖

02_Strategy.aspx.cs
using System;
using com.cnblogs.WizardWu.sample02;

//客戶程序
public partial class _02_Strategy : System.Web.UI.Page
{
    String strLinuxText = "操作系統 \n 紅帽 Linux  創建的 \n 文本文件";
    String strWindowsText = "操作系統 \r\n 微軟 Windows 創建的 \r\n 文本文件";

    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {        
    }
    protected void DropDownList1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
    {
        switch(DropDownList1.SelectedValue)
        {
            case "Linux":
                Label1.Text = ContextCharChange.contextInterface(new LinuxStrategy(strWindowsText));
                //Label1.Text = strWindowsText.Replace("\r\n", "\n");   //未用任何 Pattern 的寫法
                break;
            case "Windows":
                Label1.Text = ContextCharChange.contextInterface(new WindowsStrategy(strLinuxText));
                //Label1.Text = strLinuxText.Replace("\n", "\r\n");   //未用任何 Pattern 的寫法
                break;
            default:
                Label1.Text = String.Empty;
                break;
        }
    }
}

namespace com.cnblogs.WizardWu.sample02
{
    //抽象算法類 (亦可用接口)。定義了所有策略的公共接口
    public abstract class TextStrategy
    {
        protected String text;

        public TextStrategy(String text)           //構造函數
        {
            this.text = text;
        }

        //算法需要完成的功能
        public abstract String replaceChar();
    }

    //具體算法類A
    public class LinuxStrategy : TextStrategy
    {
        public LinuxStrategy(String text)          //構造函數
            : base(text)
        {
        }

        //算法A實現方法
        public override String replaceChar()
        {
            text = text.Replace("\r\n", "\n");
            return text;
        }
    }

    //具體算法類B
    public class WindowsStrategy : TextStrategy
    {
        public WindowsStrategy(String text)     //構造函數
            : base(text)
        {
        }

        //算法B實現方法
        public override String replaceChar()
        {
            text = text.Replace("\n", "\r\n");
            return text;
        }
    }

    //執行對象。需要采用可替換策略執行的對象
    public class ContextCharChange
    {
        //執行對象依賴于策略對象的操作方法
        public static String contextInterface(TextStrategy strategy)
        {
            return strategy.replaceChar();
        }
    }

} // end of namespace

圖 3　示例 02_Strategy.aspx.cs 的執行結果

若未用任何 Pattern 的客戶程序，可能就如下方的硬編碼，將「換行符」和算法，直接寫死在 ASP.NET 的 Code-Behind 里，導至事后的維護和擴展不易。 

hard coding
protected void DropDownList1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e)
{
    switch(DropDownList1.SelectedValue)
    {
        case "Linux":
            Label1.Text = strWindowsText.Replace("\r\n", "\n");
            break;
        case "Windows":
            Label1.Text = strLinuxText.Replace("\n", "\r\n");
            break;
        default:
            Label1.Text = String.Empty;
            break;
    }
}

此外，若用 Simple Factory Pattern (簡單工廠模式) 雖然也能解決上述硬編碼的問題，但就如我們前一篇帖子「C# Design Patterns (1) - Factory Method」曾經提過的缺點，日后若要添加或修改功能時，仍要修改、重新編譯 server-side 的「工廠類」。所以在此種情況下，用 Strategy 會是比 Simple Factory 更好的選擇。

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Strategy Pattern 的優點：

• 簡化了單元測試，因為每個算法都有自己的類，可以通過自己的接口單獨做測試。
• 避免程序中使用多重條件轉移語句，使系統更靈活，并易于擴展。
• 高內聚、低偶合。

Strategy Pattern 的缺點：

• 因為每個具體策略都會產生一個新類，所以會增加需要維護的類的數量。
• 選擇所用具體實現的職責由客戶程序承擔，并轉給 Context 對象，并沒有解除客戶端需要選擇判斷的壓力。

若要減輕客戶端壓力，或程序有特殊考量，還可把 Strategy 與 Simple Factory 兩種 Pattern 結合，即可將選擇具體算法的職責改由 Context 來承擔，亦即將具體的算法，和客戶程序做出隔離。有關這方面的概念和示例，可參考伍迷的「大話設計模式」一書 [10]。

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此外，從行為上來看，State Pattern 和 Strategy Pattern 有點類似，但前者可看作后者的動態版本。

• State：看當前是什么狀態，就采取什么動作。
• Strategy：看需求及情景為何，采用適當的策略。

State 中，當對象內部的狀態改變時，它可切換到一組不同的操作，從而改變對象的行為，例如 GoF 示例中的 TCP 連接；而 Strategy 是直接采用適當的策略 (算法)，如本帖示例中，不同的操作系統，實現換行的具體算法類 LinuxStrategy 與 WindowsStrategy。