Java Tip: 用Reflection实现Visitor模式

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Java Tip: 用Reflection实现Visitor模式

概述

Visitor模式的常用之处在于,它将对象集合的结构和对集合所执行的操作分离开来。例如,它可以将一个编译器中的分析逻辑和代码生成逻辑分离开来。有了这样的分离,想使用不同的代码生成器就会很容易。更大的好处还有,其它一些公用程序,如lint,可以在使用分析逻辑的同时免受代码生成逻辑之累。不幸的是,向集合中增加新的对象往往需要修改已经写好的Visitor类。本文提出了一种在Java中实现Visitor模式的更灵活的方法:使用Reflection(反射)。

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集合(Collection)普遍应用于面向对象编程中,但它也经常引发一些和代码有关的疑问。例如,"如果一个集合存在不同的对象,该如何对它执行操作?"

一种方法是,对集合中的每个元素进行迭代,然后基于所在的类,对每个元素分别执行对应的操作。这会很难办,特别是,如果你不知道集合中有什么类型的对象。例如,假设想打印集合中的元素,你可以写出如下的一个方法(method):

public void messyPrintCollection(Collection collection) {
   Iterator iterator = collection.iterator()
   while (iterator.hasNext())
      System.out.println(iterator.next().toString())
}

这看起来够简单的了。它只不过调用了Object.toString()方法,然后打印出对象,对吗?但如果有一组哈希表怎么办?事情就会开始变得复杂起来。你必须检查从集合中返回的对象的类型:

public void messyPrintCollection(Collection collection) {
   Iterator iterator = collection.iterator()
   while (iterator.hasNext()) {
      Object o = iterator.next();
      if (o instanceof Collection)
         messyPrintCollection((Collection)o);
      else
         System.out.println(o.toString());
   }
}

不错,现在已经解决了嵌套集合的问题,但它需要对象返回String,如果有其它不返回String的对象存在怎么办?如果想在String对象前后添加引号以及在Float后添加f又该怎么办?代码还是越来越复杂:

public void messyPrintCollection(Collection collection) {
   Iterator iterator = collection.iterator()
   while (iterator.hasNext()) {
      Object o = iterator.next();
      if (o instanceof Collection)
         messyPrintCollection((Collection)o);
      else if (o instanceof String)
         System.out.println("'"+o.toString()+"'");
      else if (o instanceof Float)
         System.out.println(o.toString()+"f");
      else
         System.out.println(o.toString());
   }
}

可以看到,事情的复杂度会急剧增长。你当然不想让一段代码到处充斥着if-else语句!那怎么避免呢?Visitor模式可以帮你。

要实现Visitor模式,得为访问者建立一个Visitor接口,还要为被访问的集合建立一个Visitable接口。然后,让具体类实现Visitor和Visitable接口。这两个接口如下所示:

public interface Visitor
{
   public void visitCollection(Collection collection);
   public void visitString(String string);
   public void visitFloat(Float float);
}

public interface Visitable
{
   public void accept(Visitor visitor);
}

对于具体的String,可能是这样:

public class VisitableString implements Visitable
{
   private String value;
   public VisitableString(String string) {
      value = string;
   }
   public void accept(Visitor visitor) {
      visitor.visitString(this);
   }
}

在accept方法中,对this类型调用正确的visitor方法:

visitor.visitString(this)

这样,就可以如下实现具体的Visitor:

public class PrintVisitor implements Visitor
{
   public void visitCollection(Collection collection) {
      Iterator iterator = collection.iterator()
      while (iterator.hasNext()) {
      Object o = iterator.next();
      if (o instanceof Visitable)
         ((Visitable)o).accept(this);
   }

   public void visitString(String string) {
      System.out.println("'"+string+"'");
   }

   public void visitFloat(Float float) {
      System.out.println(float.toString()+"f");
   }
}

实现VisitableFloat和VisitableCollection类的时候,它们也是各自调用合适的Visitor方法,所得到的效果和前面那个用了if-else的messyPrintCollection方法一样,但这里的手法更干净。在visitCollection()中,调用的是Visitable.accept(this),然后这个调用又返回去调用一个合适的Visitor方法。这被称做 "双分派";即,Visitor先调用了Visitable类中的方法,这个方法又回调到Visitor类中。

虽然通过实现visitor消除了if-else语句,却也增加了很多额外的代码。最初的String和Float对象都要用实现了Visitable接口的对象进行包装。这有点讨厌,但一般说来不是问题,因为你可以让经常被访问的集合只包含那些实现了Visitable接口的对象。

但似乎这还是额外的工作。更糟糕的是,当增加一个新的Visitable类型如VisitableInteger时,会发生什么呢?这是Visitor模式的一个重大缺陷。如果想增加一个新的Visitable对象,就必须修改Visitor接口,然后对每一个Visitor实现类中的相应的方法一一实现。你可以用一个带缺省空操作的Visitor抽象基类来代替接口。那就很象Java GUI中的Adapter类。那个方法的问题在于,它需要占用单继承;而你往往想保留单继承,让它用于其它什么东西,比如继承StringWriter。那个方法还有限制,它只能够成功访问Visitable对象。

幸运的是,Java可以让Visitor模式更灵活,使得你可以随心所欲地增加Visitable对象。怎么做?答案是,使用Reflection。比如,可以设计这样一个ReflectiveVisitor接口,它只需要一个方法:

public interface ReflectiveVisitor {
   public void visit(Object o);
}

就这样,很简单。至于Visitable,还是和前面一样,我过一会儿再说。现在先用Reflection来实现PrintVisitor:

public class PrintVisitor implements ReflectiveVisitor {
   public void visitCollection(Collection collection)
   { ... same as above ... }
   public void visitString(String string)
   { ... same as above ... }
   public void visitFloat(Float float)
   { ... same as above ... }

   public void default(Object o)
   {
      System.out.println(o.toString());
   }

   public void visit(Object o) {
      // Class.getName() returns package information as well.
      // This strips off the package information giving us
      // just the class name
      String methodName = o.getClass().getName();
      methodName = "visit"+
                   methodName.substring(methodName.lastIndexOf('.')+1);
      // Now we try to invoke the method visit
      try {
         // Get the method visitFoo(Foo foo)
         Method m = getClass().getMethod(methodName,
            new Class[] { o.getClass() });
         // Try to invoke visitFoo(Foo foo)
         m.invoke(this, new Object[] { o });
      } catch (NoSuchMethodException e) {
         // No method, so do the default implementation
         default(o);
      }
   }
}

现在不需要Visitable包装类。仅仅只是调用visit(),请求就会分发到正确的方法上。很不错的一点是,只要认为适合,visit()就可以分发。这并非必须使用reflection--它可以使用其它完全不同的机制。

新的PrintVisitor中,有针对Collection,String和Float而写的方法,但然后它又在catch语句中捕捉所有未处理的类型。你要扩展visit()方法,使得它也能够处理所有的父类。首先,得增加一个新方法,称为getMethod(Class c),它返回的是要调用的方法;为了找到这个相匹配的方法,先在类c的所有父类中寻找,然后在类c的所有接口中寻找。

protected Method getMethod(Class c) {
   Class newc = c;
   Method m = null;
   // Try the superclasses
   while (m == null && newc != Object.class) {
      String method = newc.getName();
      method = "visit" + method.substring(method.lastIndexOf('.') + 1);
      try {
         m = getClass().getMethod(method, new Class[] {newc});
      } catch (NoSuchMethodException e) {
         newc = newc.getSuperclass();
      }
   }
   // Try the interfaces.  If necessary, you
   // can sort them first to define 'visitable' interface wins
   // in case an object implements more than one.
   if (newc == Object.class) {
      Class[] interfaces = c.getInterfaces();
      for (int i = 0; i < interfaces.length; i++) {
         String method = interfaces[i].getName();
         method = "visit" + method.substring(method.lastIndexOf('.') + 1);
         try {
            m = getClass().getMethod(method, new Class[] {interfaces[i]});
         } catch (NoSuchMethodException e) {}
      }
   }
   if (m == null) {
      try {
         m = thisclass.getMethod("visitObject", new Class[] {Object.class});
      } catch (Exception e) {
          // Can't happen
      }
   }
   return m;
}

看起来有些复杂,其实不然。实际上,它只是根据传进来的类名去寻找相应的方法而已。如果没找到,就在父类中找;还没找到,再到接口中找。最后,就拿visitObject()作为缺省。

注意,为了照顾那些熟悉传统Visitor模式的读者,我对方法的名称采用了传统的命名方式。但正如你们一些人所注意到的,把所有的方法命名为 "visit" 然后让参数类型作为区分会更高效。但这样做的话,你得把主visit(Object o)方法的名字改为dispatch(Object o)之类。否则,就没有一个缺省方法可用了,你就得在调用visit(Object o)时将类型转换为Object,以保证visit采用的是正确的调用方式。

现在可以修改visit()方法,以利用getMethod():

public void visit(Object object) {
   try {
     Method method = getMethod(getClass(), object.getClass());
     method.invoke(this, new Object[] {object});
   } catch (Exception e) { }
}

现在,visitor对象的功能强大多了。你可以传进任何对象,并且有某个方法处理它。另外一个好处是,还有一个缺省方法visitObject(Object o),它可以捕捉任何未知的对象。再多花点工夫,你还可以写出一个visitNull()方法。

我在上面对Visitable接口避而不谈自有原因。传统Visitor模式的另一个好处是,它允许Visitable对象来控制对对象结构的访问。例如,假设有一个实现了Visitable的TreeNode对象,你可以让一个accept()方法来遍历它的左右节点:

public void accept(Visitor visitor) {
   visitor.visitTreeNode(this);
   visitor.visitTreeNode(leftsubtree);
   visitor.visitTreeNode(rightsubtree);
}

这样,只用对Visitor类再进行一点修改,就可以进行Visitable控制访问:

public void visit(Object object) throws Exception
{
    Method method = getMethod(getClass(), object.getClass());
     method.invoke(this, new Object[] {object});
     if (object instanceof Visitable)
     {
          callAccept((Visitable) object);
     }
}
public void callAccept(Visitable visitable) {
   visitable.accept(this);
}

如果已经实现了一个Visitable对象结构,可以保留callAccept()方法并使用Visitable控制访问。如果想在visitor中访问结构,只需改写callAccept()方法,使之什么也不做。

想让数个不同的访问者对同一个对象集合进行访问时,Visitor模式可以发挥它的强大作用。假设已经有一个解释器,一个中缀写作器,一个后缀写作器,一个XML写作器和一个SQL写作器,它们都作用在同一个对象集合上。那么,也可以很容易地为相同的对象集合写出一个前缀写作器和一个SOAP写作器。另外,这些写作器可以正常地和它们所不知道的对象工作;当然,如果愿意,也可以让它们抛出异常。

结论
通过使用Java Reflection,你可以增强Visitor模式,使之具有操作对象结构的强大功能,并在增加新Visitable类型方面提供灵活性。希望你在以后的程序设计中能够应用这一模式。

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