设计模式-20软工第5周安排-结构型模式-适配器模式、桥接模式

师说

桥接模式是一个非常有用的模式，在桥接模式中体现了很多面向对象设计原则的思想，包括“单一职责原则”、“开闭原则”、“合成复用原则”、“里氏代换原则”、“依赖倒转原则”。熟悉桥接模式有助于我们深入理解这些设计原则，也有助于我们形成正确的设计思想和培养良好的设计风格。

桥接模式和适配器模式的区别在于使用场合不同，适配器模式主要解决两个已有接口间的匹配问题。这种情况下被适配的接口的实现往往是一个黑匣子。我们不想，也不能改变这个接口及其实现。同时也不能控制其演化，只要相关的对象能与系统定义的接口协同工作即可。适配器模式经常用在与第三方产品的功能集成上，采用该模式适应新类型的增加的方式是开发针对这个类的适配器。而桥接模式则不同，参与桥接的接口是稳定的，用户可以扩展和修改桥接种的类，但是不能改变接口。桥接模式通过接口继承或者类继承实现功能的扩展。

按照GOF的说法，桥接模式和适配器模式用于设计的不同阶段，桥接模式用于设计的前期，即在设计类的时候将类规划为逻辑和实现两大类，使他们可以分别进行演化；而适配器模式用于设计完成之后，当发现完成的类无法协同工作时，可以采用适配器模式。如下图的报表处理模块所示：

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也可以看我大三以前的上这门课时的博客：

设计模式-结构型模式-结构型模式概述
设计模式-结构型模式-适配器模式
设计模式-结构型模式-桥接模式

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之前我们学习了 5 种构建型模式。它们主要用于构建对象。我们简单回顾一下：

• ​工厂方法模式：为每一类对象建立工厂，将对象交由工厂创建，客户端只和工厂打交道。
• 抽象工厂模式：为每一类工厂提取出抽象接口，使得新增工厂、替换工厂变得非常容易。
• 建造者模式：用于创建构造过程稳定的对象，不同的 Builder 可以定义不同的配置。
• 单例模式：全局使用同一个对象，分为饿汉式和懒汉式。懒汉式有双检锁和内部类两种实现方式。
• 原型模式：为一个类定义 clone 方法，使得创建相同的对象更方便。

本篇文章我们将一起学习结构型模式，顾名思义，结构型模式是用来设计程序的结构的。结构型模式就像搭积木，将不同的类结合在一起形成契合的结构。包括以下几种：

• 适配器模式
• 桥接模式
• 组合模式
• 装饰模式
• 外观模式
• 享元模式
• 代理模式

由于内容较多，本篇我们先讲解前两种模式。

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适配器模式

说到适配器，我们最熟悉的莫过于电源适配器了，也就是手机的充电头。它就是适配器模式的一个应用。

试想一下，你有一条连接电脑和手机的 USB 数据线，连接电脑的一端从电脑接口处接收 5V 的电压，连接手机的一端向手机输出 5V 的电压，并且他们工作良好。

中国的家用电压都是 220V，所以 USB 数据线不能直接拿来给手机充电，这时候我们有两种方案：

• 单独制作手机充电器，接收 220V 家用电压，输出 5V 电压。
• 添加一个适配器，将 220V 家庭电压转化为类似电脑接口的 5V 电压，再连接数据线给手机充电。

如果你使用过早期的手机，就会知道以前的手机厂商采用的就是第一种方案：早期的手机充电器都是单独制作的，充电头和充电线是连在一起的。现在的手机都采用了电源适配器加数据线的方案。这是生活中应用适配器模式的一个进步。

适配器模式：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。

适配的意思是适应、匹配。通俗地讲，适配器模式适用于有相关性但不兼容的结构，源接口通过一个中间件转换后才可以适用于目标接口，这个转换过程就是适配，这个中间件就称之为适配器。

家用电源和 USB 数据线有相关性：家用电源输出电压，USB 数据线输入电压。但两个接口无法兼容，因为一个输出 220V，一个输入 5V，通过适配器将输出 220V 转换成输出 5V 之后才可以一起工作。

让我们用程序来模拟一下这个过程。

首先，家庭电源提供 220V 的电压：

Java 实现

class HomeBattery {
    int supply() {
        // 家用电源提供一个 220V 的输出电压
        return 220;
    }
}

USB 数据线只接收 5V 的充电电压：

class USBLine {
    void charge(int volt) {
        // 如果电压不是 5V，抛出异常
        if (volt != 5) throw new IllegalArgumentException("只能接收 5V 电压");
        // 如果电压是 5V，正常充电
        System.out.println("正常充电");
    }
}

先来看看适配之前，用户如果直接用家庭电源给手机充电：

public class User {
    @Test
    public void chargeForPhone() {
        HomeBattery homeBattery = new HomeBattery();
        int homeVolt = homeBattery.supply();
        System.out.println("家庭电源提供的电压是 " + homeVolt + "V");

        USBLine usbLine = new USBLine();
        usbLine.charge(homeVolt);
    }
}

运行程序，输出如下：

家庭电源提供的电压是 220V
java.lang.IllegalArgumentException: 只能接收 5V 电压

这时，我们加入电源适配器：

class Adapter {
    int convert(int homeVolt) {
        // 适配过程：使用电阻、电容等器件将其降低为输出 5V
        int chargeVolt = homeVolt - 215;
        return chargeVolt;
    }
}

然后，用户再使用适配器将家庭电源提供的电压转换为充电电压：

public class User {
    @Test
    public void chargeForPhone() {
        HomeBattery homeBattery = new HomeBattery();
        int homeVolt = homeBattery.supply();
        System.out.println("家庭电源提供的电压是 " + homeVolt + "V");

        Adapter adapter = new Adapter();
        int chargeVolt = adapter.convert(homeVolt);
        System.out.println("使用适配器将家庭电压转换成了 " + chargeVolt + "V");

        USBLine usbLine = new USBLine();
        usbLine.charge(chargeVolt);
    }
}

运行程序，输出如下：

家庭电源提供的电压是 220V
使用适配器将家庭电压转换成了 5V
正常充电

这就是适配器模式。在我们日常的开发中经常会使用到各种各样的 Adapter，都属于适配器模式的应用。

但适配器模式并不推荐多用。因为未雨绸缪好过亡羊补牢，如果事先能预防接口不同的问题，不匹配问题就不会发生，只有遇到源接口无法改变时，才应该考虑使用适配器。比如现代的电源插口中很多已经增加了专门的充电接口，让我们不需要再使用适配器转换接口，这又是社会的一个进步。

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桥接模式

考虑这样一个需求：绘制矩形、圆形、三角形这三种图案。按照面向对象的理念，我们至少需要三个具体类，对应三种不同的图形。

抽象接口 IShape：

public interface IShape {
    void draw();
}

三个具体形状类：

class Rectangle implements IShape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制矩形");
    }
}

class Round implements IShape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制圆形");
    }
}

class Triangle implements IShape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制三角形");
    }
}

接下来我们有了新的需求，每种形状都需要有四种不同的颜色：红、蓝、黄、绿。

这时我们很容易想到两种设计方案：

• 为了复用形状类，将每种形状定义为父类，每种不同颜色的图形继承自其形状父类。此时一共有 12 个类。
• 为了复用颜色类，将每种颜色定义为父类，每种不同颜色的图形继承自其颜色父类。此时一共有 12 个类。

乍一看没什么问题，我们使用了面向对象的继承特性，复用了父类的代码并扩展了新的功能。

但仔细想一想，如果以后要增加一种颜色，比如黑色，那么我们就需要增加三个类；如果再要增加一种形状，我们又需要增加五个类，对应 5 种颜色。

更不用说遇到增加 20 个形状，20 种颜色的需求，不同的排列组合将会使工作量变得无比的庞大。看来我们不得不重新思考设计方案。

形状和颜色，都是图形的两个属性。他们两者的关系是平等的，所以不属于继承关系。更好的的实现方式是：将形状和颜色分离，根据需要对形状和颜色进行组合，这就是桥接模式的思想。

桥接模式：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式，又称为柄体模式或接口模式。

官方定义非常精准、简练，但却有点不易理解。通俗地说，如果一个对象有两种或者多种分类方式，并且两种分类方式都容易变化，比如本例中的形状和颜色。这时使用继承很容易造成子类越来越多，所以更好的做法是把这种分类方式分离出来，让他们独立变化，使用时将不同的分类进行组合即可。

说到这里，不得不提一个设计原则：合成 / 聚合复用原则。虽然它没有被划分到六大设计原则中，但它在面向对象的设计中也非常的重要。

合成 / 聚合复用原则：优先使用合成 / 聚合，而不是类继承。

继承虽然是面向对象的三大特性之一，但继承会导致子类与父类有非常紧密的依赖关系，它会限制子类的灵活性和子类的复用性。而使用合成 / 聚合，也就是使用接口实现的方式，就不存在依赖问题，一个类可以实现多个接口，可以很方便地拓展功能。

让我们一起来看一下本例使用桥接模式的程序实现：

新建接口类 IColor，仅包含一个获取颜色的方法：

public interface IColor {
    String getColor();
}

每种颜色都实现此接口：

public class Red implements IColor {
    @Override
    public String getColor() {
        return "红";
    }
}

public class Blue implements IColor {
    @Override
    public String getColor() {
        return "蓝";
    }
}

public class Yellow implements IColor {
    @Override
    public String getColor() {
        return "黄";
    }
}

public class Green implements IColor {
    @Override
    public String getColor() {
        return "绿";
    }
}

在每个形状类中，桥接 IColor 接口：

class Rectangle implements IShape {

    private IColor color;

    void setColor(IColor color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制" + color.getColor() + "矩形");
    }
}

class Round implements IShape {

    private IColor color;

    void setColor(IColor color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制" + color.getColor() + "圆形");
    }
}

class Triangle implements IShape {

    private IColor color;

    void setColor(IColor color) {
        this.color = color;
    }

    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制" + color.getColor() + "三角形");
    }
}

测试函数：

@Test
public void drawTest() {
    Rectangle rectangle = new Rectangle();
    rectangle.setColor(new Red());
    rectangle.draw();
    
    Round round = new Round();
    round.setColor(new Blue());
    round.draw();
    
    Triangle triangle = new Triangle();
    triangle.setColor(new Yellow());
    triangle.draw();
}

运行程序，输出如下：

绘制红矩形
绘制蓝圆形
绘制黄三角形

这时我们再来回顾一下官方定义：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。抽象部分指的是父类，对应本例中的形状类，实现部分指的是不同子类的区别之处。将子类的区别方式 —— 也就是本例中的颜色 —— 分离成接口，通过组合的方式桥接颜色和形状，这就是桥接模式，它主要用于两个或多个同等级的接口。

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总结

到这里我们就把结构型模式的前两种介绍完了，让我们总结一下：

• 适配器模式：用于有相关性但不兼容的接口
• 桥接模式：用于同等级的接口互相组合

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参考资料

20软工第5周安排
详解设计模式之结构型模式（上）