一步一步理解命令模式

这篇文章呢，我们来学习一下命令模式，同样地我们会从一个例子入手（对《Head First 设计模式》这本书上的例子进行了稍微地修改），通过三个版本的迭代演进，让我们能更好地理解命令模式。

命令模式

现在有一个装修公司，在装修房子时会安装一个家用电器的总控制器，例如有电灯、空调、热水器、电脑等电器，这个控制器上的每一对 ON/OFF 开关就对应了一个具体的设备，可以对该设备进行操作。

另外，有些用户家中可能没有热水器，不需要对其进行控制，而有些用户家中可能还有电视，又需要对电视进行控制。所以，具体对哪些设备进行控制，需要由用户自己决定。试想一下，这个系统该如何设计呢？

版本一

我们先来尝试一下。例如，现在需要对电灯、空调、电脑进行控制，这三个实体类定义如下（注意它们是由不同的厂家制造，其接口不同）：

public class Lamp {
    // 接口不同，也就是开关的方法不同
    public void turnOn() {
        System.out.println("打开电灯");
    }
    public void turnOff() {
        System.out.println("关闭电灯");
    }
}

public class AirConditioner {
    public void on() {
        System.out.println("打开空调");
    }
    public void off() {
        System.out.println("关闭空调");
    }
}

public class Computer {
    public void powerOn() {
        System.out.println("打开电脑");
    }
    public void powerOff() {
        System.out.println("关闭电脑");
    }
}
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对于控制器呢，由于我们事先不知道具体的槽上，对应的是什么设备。所以，我们只能一个一个地进行判断，然后才能执行开关操作。

public class SimpleController1 {

    // Object 类型的数组
    private Object[] control = new Object[3];

    public void setControlSlot(int slot, Object controller) {
        control[slot - 1] = controller;
    }

    // 使用 instanceOf 判断类型
    public void onButtonWasPressed(int slot) {
        if (control[slot - 1] instanceof Lamp) {
            Lamp lamp = (Lamp) control[slot - 1];
            lamp.turnOn();
        } else if (control[slot - 1] instanceof AirConditioner) {
            AirConditioner airConditioner = (AirConditioner) control[slot - 1];
            airConditioner.on();
        } else if (control[slot - 1] instanceof Computer) {
            Computer computer = (Computer) control[slot - 1];
            computer.powerOn();
        }
    }

    public void offButtonWasPushed(int slot) {
        if (control[slot - 1] instanceof Lamp) {
            Lamp lamp = (Lamp) control[slot - 1];
            lamp.turnOff();
        } else if (control[slot - 1] instanceof AirConditioner) {
            AirConditioner airConditioner = (AirConditioner) control[slot - 1];
            airConditioner.off();
        } else if (control[slot - 1] instanceof Computer) {
            Computer computer = (Computer) control[slot - 1];
            computer.powerOff();
        }
    }
}
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下面写个类来测试一下：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 三种家电
        Lamp lamp = new Lamp();
        AirConditioner airConditioner = new AirConditioner();
        Computer computer = new Computer();

        // 设置到相应的控制槽上
        SimpleController1 simpleController1 = new SimpleController1();
        simpleController1.setControlSlot(1, lamp);
        simpleController1.setControlSlot(2, airConditioner);
        simpleController1.setControlSlot(3, computer);

        // 对 1 号槽对应的设备进行开关操作
        simpleController1.onButtonWasPressed(1);
        simpleController1.offButtonWasPushed(1);
    }
}
// 打开电灯
// 关闭电灯
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对于上面的这种方式，由于无法预先知道控制器上的槽对应的什么设备，所以控制器的实现中使用了大量的类型判断语句，我们可以看到，这样的设计很不好。

另外，如果有别的用户想要控制其他设备，就需要去修改控制器的代码，这明显不符合开闭原则，并且会造成很大的工作量。

版本二

那该如何进行改进呢？我们想着要是这些设备的接口可以修改就好了，我们将它们的接口修改成统一的，也就不需要再去一个一个地判断了。

来看一下它如何实现，我们定义一个家电接口，其中包含开关操作，然后让不同的家电设备去实现它。

public interface HomeAppliance {
    void on();
    void off();
}

public class Lamp implements HomeAppliance {
    @Override
    public void on() {
        System.out.println("打开电灯");
    }
    @Override
    public void off() {
        System.out.println("关闭电灯");
    }
}

public class AirConditioner implements HomeAppliance {
    @Override
    public void on() {
        System.out.println("打开空调");
    }
    @Override
    public void off() {
        System.out.println("关闭空调");
    }

}

public class Computer implements HomeAppliance {
    @Override
    public void on() {
        System.out.println("打开电脑");
    }
    @Override
    public void off() {
        System.out.println("关闭电脑");
    }
}
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如此，控制器就可以这样设计：

public class SimpleController2 {

    // 三种家电，统一的接口
    private HomeAppliance[] control = new HomeAppliance[3];

    public void setControlSlot(int slot, HomeAppliance controller) {
        control[slot - 1] = controller;
    }

    // 不需要再进行判断
    public void onButtonWasPressed(int slot) {
        control[slot - 1].on();
    }
    public void offButtonWasPushed(int slot) {
        control[slot - 1].off();
    }
}
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下面写段代码来测试一下：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        HomeAppliance lamp = new Lamp();
        HomeAppliance airConditioner = new AirConditioner();
        HomeAppliance computer = new Computer();

        SimpleController2 simpleController2 = new SimpleController2();
        simpleController2.setControlSlot(1, lamp);
        simpleController2.setControlSlot(2, airConditioner);
        simpleController2.setControlSlot(3, computer);

        simpleController2.onButtonWasPressed(1);
        simpleController2.offButtonWasPushed(1);
    }
}
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可以看到，我们不需要再写大量的类型判断语句，并且有用户想要控制别的设备时，只需要让该设备实现 HomeAppliance 接口，就可以了。

但理想很丰满，显示很苦干。可惜的是这些家电设备的接口从出厂时就已经固定了，无法再改变，这种方式只是看起来不错，我们还需要另寻出路。

版本三

我们继续进行改进。那我们能否将这些设备包装一下，让其对外提供统一的开关方法，如此控制器就不需要去判断是什么类型，而是只管去调用包装后的开关方法就好了。

也就是说重新定义一个统一的接口，它包含了开关操作的方法，然后让不同的设备，都创建一个与它自己对应的类，用来操作它本身。

对于三个实体类，我们仍然使用第一次尝试时使用的类。而这个统一的接口可以这样定义：

public interface OnOff {
    void on();
    void off();
}
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然后，让不同的设备，都创建一个与它自己对应的类，其内部封装了它自己。在对外提供的统一方法 on/off 实现中，再去调用自己的开关方法：

public class LampOnOff implements OnOff {

    private Lamp lamp;
    
    public Lamp_OnOff(Lamp lamp) {
        this.lamp = lamp;
    }
    @Override
    public void on() {  
        lamp.turnOn();
    }
    @Override
    public void off() {
        lamp.turnOff();
    }
}

public class AirConditionerOnOff implements OnOff {

    private AirConditioner airConditioner;
    
    public AirConditioner_OnOff(AirConditioner airConditioner) {
        this.airConditioner = airConditioner;
    }
    @Override
    public void on() {
        airConditioner.on();
    }
    @Override
    public void off() {
        airConditioner.off();
    }
}

public class ComputerOnOff implements OnOff {

    private Computer computer;
    
    public Computer_OnOff(Computer computer) {
        this.computer = computer;
    }
    @Override
    public void on() {
        computer.powerOn();
    }
    @Override
    public void off() {
        computer.powerOff();
    }
}
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这时控制器就可以这样写，和版本 2 很类似：

public class SimpleController3 {

    private OnOff[] onOff = new OnOff[3];

    public void setControlSlot(int slot, OnOff controller) {
        onOff[slot - 1] = controller;
    }

    public void onButtonWasPressed(int slot) {
        onOff[slot - 1].on();
    }
    public void offButtonWasPushed(int slot) {
        onOff[slot - 1].off();
    }
}
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下面写段代码来测试一下：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        Lamp lamp = new Lamp();
        AirConditioner airConditioner = new AirConditioner();
        Computer computer = new Computer();

        // 三种设备封装成统一的接口
        // 也就是三种命令对象
        OnOff lampOnOff = new LampOnOff(lamp);
        OnOff airConditionerOnOff = new AirConditionerOnOff(airConditioner);
        OnOff computerOnOff = new ComputerOnOff(computer);

        SimpleController3 simpleController3 = new SimpleController3();
        simpleController3.setControlSlot(1, lampOnOff);
        simpleController3.setControlSlot(2, airConditionerOnOff);
        simpleController3.setControlSlot(3, computerOnOff);

        simpleController3.onButtonWasPressed(1);
        simpleController3.offButtonWasPushed(1);
    }
}
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上面这种做法呢，既没有了大量的判断语句，而且用户想要控制其他设备时，只需要创建一个实现 OnOff 接口的类，在这个类的 on、off 方法中，调用设备的具体实现即可。

命令模式概述

其实上面的版本三就是命令模式，我们这就来看一下在 《Head First 设计模式》中对它的定义：它将“请求”封装成命令对象，以便使用不同的请求、队列或者日志来参数化其他对象。命令模式也支持可撤销操作。

对于这个定义如何理解呢？我们以上面的例子来说明。

在接收者（电灯）上绑定一组开关动作（turnOn/turnOff 方法）就是请求，然后将请求封装成一个命令对象（OnOff 对象），它对外只暴露 on/off 方法。

当命令对象（OnOff 对象）的 on/off 方法被调用时，接收者（电灯）就会执行相应的动作（turnOn/turnOff 方法）。对于外界来说，其他对象不知道究竟哪个接收者执行了动作，而是只知道调用了命令对象的 on/off 方法。

在将请求封装成命令对象后，就可以用命令来参数化其他对象，这里就是控制器的插槽（OnOff[]）用不用的命令（OnOff 对象）当参数。

它的 UML 图如下：

• 这里将 SimpleController3 称为调用者，它会持有一个或一组命令，并在某个时间调用命令对象的 on/off 方法，执行请求。
• 这里将 Lamp 称为接收者，它知道如何进行具体的工作。
• 而调用者调用 on/off 发出请求，然后由 ConcreteCommand 来调用接收者的一个或多个动作。

下面总结一下命令模式的优点：

• 降低了调用者和请求接收者的耦合度，使得调用者和请求接收者之间不需要直接交互。
• 在扩展新的命令时非常容易，只需要实现抽象命令的接口即可。

缺点：

• 命令的扩展会导致系统含有太多的类，增加了系统的复杂度。

命令模式的具体实践

JDK#线程池

对于线程池（这里我们先不考虑线程数小于核心线程数的情况），我们将任务（命令）添加到阻塞队列（工作队列）的某一端，然后线程从另一端获取一个命令，调用它的 run 方法执行，等待这个调用完成后，再取出下一个命令，继续执行。

命令（任务）接口的定义如下。而具体的任务由我们自己实现：

public interface Runnable {
    public abstract void run();
}
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在线程池 ThreadPoolExecutor 中有一个阻塞队列，用于存放任务，它的部分源码如下：

public class ThreadPoolExecutor extends AbstractExecutorService {

    // 存放命令
    private final BlockingQueue<Runnable> workQueue;

    // 注意：这里与上面说的例子中 execute 方法不同
    public void execute(Runnable command) {
        ···
        // 线程数大于核心线程数，将命令加入到阻塞队列
        if (isRunning(c) && workQueue.offer(command)) {
            ···
            // 创建 worker
            addWorker(null, false);
        }
        ···
    }
}
复制代码

在调用 ThreadPoolExecutor 的 execute 方法时，会将实现命令接口的任务添加到阻塞队列中。

最终线程在执行 Worker 的 run 方法时，又会调用外部的 runWorker 方法，它会循环从阻塞队列中一个一个地获取命令对象，然后调用命令对象的 run 方法执行，一旦完成后，就会再去处理下一个命令对象：

final void runWorker(Worker w) {
    Thread wt = Thread.currentThread();
    Runnable task = w.firstTask;
    w.firstTask = null;
    w.unlock();
    try {
        // 循环调用 getTask 获取命令对象
        while (task != null || (task = getTask()) != null) {
            w.lock();
            try {
                try {
                    // 调用命令对象的 run 方法执行
                    task.run();
                } ···
            } finally {
                task = null;
                w.unlock();
            }
        }
    } ···
}
复制代码

这里简单地说了一下，具体线程池的实现，感兴趣的小伙伴可以自己研究一下。