C# Design Patterns (2) - Strategy

Strategy Pattern (策略模式)

所谓 Strategy Pattern 的精神，就是将策略 (算法) 封装为一个对象，易于相互替换，如同 USB 设备一样可即插即用；而不是将策略、具体的算法和行为，硬编码在某个类或客户程序中，导至事后的修改和扩展不易。

若有多种「策略」，就将这些个策略，和这些策略的算法、行为，封装在各个类中，并让这些类，去继承某个公用的抽象类或接口。接着在客户程序中，就可动态引用，且易于更换这些不同的「策略」，不会因为日后添加、修改了某一个「策略」，就得重新修改、编译多处的源代码。此即为一种「封装变化点」的做法，将常会变化的部分进行抽象、定义为接口，亦即实现「面向接口编程」的概念。且客户程序 (调用者) 只须知道接口的外部定义即可，具体的实现则无须理会。

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 适用的情景：

• 应用中的许多类，在解决某些问题时很相似，但实现的行为有所差异。比如：不同功能的程序，都可能要用到「排序」算法。
• 根据运行环境的不同，需要采用不同的算法。比如：在手机、PC 计算机上，因硬件等级不同，必须采用不同的排序算法。
• 针对给定的目的，存在多种不同的算法，且我们可用代码实现算法选择的标准。
• 需要封装复杂的数据结构。比如：特殊的加密算法，客户程序仅需要知道调用的方式即可。
• 同上，算法中的罗辑和使用的数据，应该与客户程序隔离时。

图 1　这张为很多书籍和文档都曾出现过的 Strategy 经典 Class Diagram

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

//客户程序
public partial class _01_Shell : System.Web.UI.Page
{    
    protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)
    {
        //执行对象
        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
{
    //抽象算法类 (亦可用接口)。定义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();
    }

    //具体算法类A
    class ConcreteStrategyA : Strategy
    {
        //算法A实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法A实现";
        }
    }

    //具体算法类B
    class ConcreteStrategyB : Strategy
    {
        //算法B实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法B实现";
        }
    }

    //具体算法类C
    class ConcreteStrategyC : Strategy
    {
        //算法C实现方法
        public override string AlgorithmInterface()
        {
            return "算法C实现";
        }
    }

    //执行对象。需要采用可替换策略执行的对象
    class Context
    {
        Strategy strategy;

        public Context(Strategy strategy)        //构造函数
        {
            this.strategy = strategy;
        }

        //执行对象依赖于策略对象的操作方法
        public string ContextInterface()
        {
            return strategy.AlgorithmInterface();
        }
    }

} // end of namespace


/* 

结行结果:

算法A实现
算法B实现
算法C实现

*/

上方的「Shell (壳)」示例中，最下方的 Context 类，为一种维护上下文信息的类，让 Strategy 类 (或 IStrategy 接口) 及其子类对象的算法，能运行在这个上下文里。

下方的图 2 及其代码，为此 Shell 示例和 Strategy Pattern 的一个具体实现示例。我们知道，Linux 和 Windows 操作系统，在文本文件的「换行符」是不同的，前者为「\n」，后者为「\r\n」。若我们要设计一个文本编辑工具，或简易的编程工具，必须要能随时转换这两种不同操作系统的换行符 (假设 .NET 已可执行于 Linux 上)。此时我们即不该在客户程序 (如：ASP.NET 页面的 Code-Behind) 中用硬编码 switch...case 的 hard coding 寫法，而应如下方示例，以 Strategy Pattern 实现此一功能，并将这些算法 (策略) 各自封装在各个子类中 (如 ASP.NET 项目的 App_Code 文件夹中的类，或其他类库项目中的类)，使他们易于组合、更换，便于日后的维护和修改。

图 2　示例 02_Strategy.aspx.cs 的 Class Diagram。此为 Sybase PowerDesigner 的「Reverse Engineer」功能，所自动产生的图

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

//客户程序
public partial class _02_Strategy : System.Web.UI.Page
{
    String strLinuxText = "操作系统 \n 红帽 Linux  创建的 \n 文本文件";
    String strWindowsText = "操作系统 \r\n 微软 Windows 创建的 \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 的写法
                break;
            case "Windows":
                Label1.Text = ContextCharChange.contextInterface(new WindowsStrategy(strLinuxText));
                //Label1.Text = strLinuxText.Replace("\n", "\r\n");   //未用任何 Pattern 的写法
                break;
            default:
                Label1.Text = String.Empty;
                break;
        }
    }
}

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

        public TextStrategy(String text)           //构造函数
        {
            this.text = text;
        }

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

    //具体算法类A
    public class LinuxStrategy : TextStrategy
    {
        public LinuxStrategy(String text)          //构造函数
            : base(text)
        {
        }

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

    //具体算法类B
    public class WindowsStrategy : TextStrategy
    {
        public WindowsStrategy(String text)     //构造函数
            : base(text)
        {
        }

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

    //执行对象。需要采用可替换策略执行的对象
    public class ContextCharChange
    {
        //执行对象依赖于策略对象的操作方法
        public static String contextInterface(TextStrategy strategy)
        {
            return strategy.replaceChar();
        }
    }

} // end of namespace

图 3　示例 02_Strategy.aspx.cs 的执行结果

若未用任何 Pattern 的客户程序，可能就如下方的硬编码，将「换行符」和算法，直接写死在 ASP.NET 的 Code-Behind 里，导至事后的维护和扩展不易。 

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 (简单工厂模式) 虽然也能解决上述硬编码的问题，但就如我们前一篇帖子「C# Design Patterns (1) - Factory Method」曾经提过的缺点，日后若要添加或修改功能时，仍要修改、重新编译 server-side 的「工厂类」。所以在此种情况下，用 Strategy 会是比 Simple Factory 更好的选择。

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Strategy Pattern 的优点：

• 简化了单元测试，因为每个算法都有自己的类，可以通过自己的接口单独做测试。
• 避免程序中使用多重条件转移语句，使系统更灵活，并易于扩展。
• 高内聚、低偶合。

Strategy Pattern 的缺点：

• 因为每个具体策略都会产生一个新类，所以会增加需要维护的类的数量。
• 选择所用具体实现的职责由客户程序承担，并转给 Context 对象，并没有解除客户端需要选择判断的压力。

若要减轻客户端压力，或程序有特殊考量，还可把 Strategy 与 Simple Factory 两种 Pattern 结合，即可将选择具体算法的职责改由 Context 来承担，亦即将具体的算法，和客户程序做出隔离。有关这方面的概念和示例，可参考伍迷的「大话设计模式」一书 [10]。

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此外，从行为上来看，State Pattern 和 Strategy Pattern 有点类似，但前者可看作后者的动态版本。

• State：看当前是什么状态，就采取什么动作。
• Strategy：看需求及情景为何，采用适当的策略。

State 中，当对象内部的状态改变时，它可切换到一组不同的操作，从而改变对象的行为，例如 GoF 示例中的 TCP 连接；而 Strategy 是直接采用适当的策略 (算法)，如本帖示例中，不同的操作系统，实现换行的具体算法类 LinuxStrategy 与 WindowsStrategy。