设计模式（二十四）行为型：访问者模式详解

访问者模式（Visitor Pattern）是 GoF 23 种设计模式中最具争议性但也最强大的行为型模式之一，其核心价值在于将作用于某种数据结构中的各元素的操作分离出来，封装到一个独立的访问者对象中，使得在不改变元素类的前提下可以定义新的操作。它通过“双重分派”（Double Dispatch）机制，解决了在静态类型语言中对异构对象集合进行多态操作扩展的难题。访问者模式是构建编译器（语法树遍历）、文档处理系统、复杂报表生成、UI 渲染引擎、静态代码分析工具等系统的理想选择，是实现“开闭原则”在操作维度上的终极体现。

一、详细介绍

访问者模式解决的是“一个数据结构（如对象树或列表）包含多种类型的元素，且需要对这些元素执行多种不同的、与元素本身无关的操作，且这些操作可能频繁新增”的问题。在传统设计中，通常将操作直接定义在元素类中。这导致：

违反单一职责原则：元素类承担了数据和多种操作的职责。
难以扩展操作：新增操作需要修改所有元素类，违反开闭原则。
代码分散：同一操作的逻辑分散在多个元素类中。

访问者模式的核心思想是：将“数据结构”与“作用于数据的操作”解耦。数据结构中的元素接受一个访问者对象作为参数，回调访问者对象中对应其类型的方法。新的操作只需添加新的访问者类，无需修改任何元素类。

该模式包含以下核心角色：

Visitor（访问者接口）：声明一组 visit() 方法，每个方法对应一种具体的元素类型（如 visit(ElementA), visit(ElementB)）。它定义了所有可执行操作的抽象接口。
ConcreteVisitor（具体访问者）：实现 Visitor 接口，为每种元素类型提供具体的操作实现。每个具体访问者代表一种独立的操作（如打印、计算、导出）。
Element（元素接口）：声明一个 accept(Visitor) 方法，允许访问者“访问”自身。
ConcreteElementA, ConcreteElementB, …（具体元素）：实现 Element 接口，实现 accept() 方法。在 accept() 中，调用访问者的 visit(this) 方法，将自身作为参数传入，触发正确的 visit 方法（关键：this 的静态类型是当前类，实现双重分派）。
ObjectStructure（对象结构）：可选角色，表示包含元素的集合或复合结构（如树、列表）。它提供一个接口，允许访问者遍历其所有元素，并调用每个元素的 accept() 方法。

访问者模式的关键优势：

符合开闭原则（操作维度）：新增操作只需添加新的 ConcreteVisitor，无需修改 Element 或 ConcreteElement。
符合单一职责原则：元素类只负责数据和 accept，操作逻辑集中在访问者中。
操作集中化：同一操作的逻辑集中在单个访问者类中，易于理解、维护和复用。
支持新操作：可以轻松添加如打印、统计、转换、验证等新操作。

访问者模式的关键挑战（双重分派）：

第一重分派：在 ObjectStructure 中，调用 element.accept(visitor)。由于 element 是多态的，accept() 的调用会根据 element 的实际类型分派到 ConcreteElementA.accept() 或 ConcreteElementB.accept()。
第二重分派：在 ConcreteElementX.accept() 中，调用 visitor.visit(this)。this 的静态类型是 ConcreteElementX，因此编译器会选择 visitor 上参数类型为 ConcreteElementX 的 visit 方法。即使 visitor 是多态的，visit 方法的重载选择在编译时基于 this 的静态类型确定。

缺点与限制：

违反里氏替换原则：accept() 方法暴露了具体类型。
元素类难以修改：新增元素类型需要修改所有 Visitor 接口及其所有实现类，违反开闭原则（结构维度）。
复杂性高：理解双重分派和模式结构需要较高心智负担。
过度设计：对于简单操作或稳定结构，可能不必要。

访问者模式适用于：

数据结构稳定，但操作频繁变化（如编译器 AST）。
需要对复杂对象结构执行多种不同的操作。
操作需要访问元素的私有成员（访问者可通过友元或公共方法访问）。
需要避免在元素类中堆积大量无关操作。

二、访问者模式的UML表示

以下是访问者模式的标准 UML 类图：

图解说明：

Element 接口定义 accept(Visitor)。
ConcreteElementX 实现 accept()，内部调用 visitor.visit(this)。
Visitor 接口为每种 ConcreteElement 声明一个 visit 重载方法。
ConcreteVisitor 实现所有 visit 方法，提供具体操作。
ObjectStructure 管理元素集合，并提供 accept(Visitor) 遍历所有元素。

三、一个简单的Java程序实例及其UML图

以下是一个文档处理系统的示例，文档包含段落（Paragraph）、图片（Image）、表格（Table）元素，需要支持打印和统计字数操作。

Java 程序实例

// 访问者接口
interface DocumentElementVisitor {void visit(Paragraph paragraph);void visit(Image image);void visit(Table table);
}// 元素接口
interface DocumentElement {void accept(DocumentElementVisitor visitor);
}// 具体元素：段落
class Paragraph implements DocumentElement {private String text;public Paragraph(String text) {this.text = text;}public String getText() {return text;}// accept 实现：回调访问者，传入自身（this）@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // 双重分派的关键：this 是 Paragraph 类型}public void spellCheck() {System.out.println("🔍 段落拼写检查: " + text);}
}// 具体元素：图片
class Image implements DocumentElement {private String filename;private int width;private int height;public Image(String filename, int width, int height) {this.filename = filename;this.width = width;this.height = height;}public String getFilename() {return filename;}public int getWidth() {return width;}public int getHeight() {return height;}@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // this 是 Image 类型}public void compress() {System.out.println("🗜️  压缩图片: " + filename);}
}// 具体元素：表格
class Table implements DocumentElement {private String[][] data;private int rows;private int cols;public Table(String[][] data) {this.data = data;this.rows = data.length;this.cols = data.length > 0 ? data[0].length : 0;}public String[][] getData() {return data;}public int getRows() {return rows;}public int getCols() {return cols;}@Overridepublic void accept(DocumentElementVisitor visitor) {visitor.visit(this); // this 是 Table 类型}public void validate() {System.out.println("✅ 表格数据验证: " + rows + "x" + cols + " 表格");}
}// 具体访问者：打印访问者
class PrintVisitor implements DocumentElementVisitor {@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {System.out.println("🖨️  打印段落: \"" + paragraph.getText() + "\"");}@Overridepublic void visit(Image image) {System.out.println("🖼️  打印图片: " + image.getFilename() + " (" + image.getWidth() + "x" + image.getHeight() + ")");}@Overridepublic void visit(Table table) {System.out.println("📊 打印表格: " + table.getRows() + " 行, " + table.getCols() + " 列");for (int i = 0; i < table.getRows(); i++) {for (int j = 0; j < table.getCols(); j++) {System.out.print("[" + table.getData()[i][j] + "] ");}System.out.println();}}
}// 具体访问者：字数统计访问者
class WordCountVisitor implements DocumentElementVisitor {private int wordCount = 0;@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {String[] words = paragraph.getText().split("\\s+");int count = words.length;wordCount += count;System.out.println("📝 段落字数: \"" + paragraph.getText() + "\" -> " + count + " 词");}@Overridepublic void visit(Image image) {// 图片无文字，不计数，但可记录System.out.println("🖼️  图片: " + image.getFilename() + " (0 词)");}@Overridepublic void visit(Table table) {int count = 0;for (int i = 0; i < table.getRows(); i++) {for (int j = 0; j < table.getCols(); j++) {if (table.getData()[i][j] != null && !table.getData()[i][j].trim().isEmpty()) {count += table.getData()[i][j].split("\\s+").length;}}}wordCount += count;System.out.println("📊 表格字数: " + count + " 词");}// 获取统计结果public int getWordCount() {return wordCount;}
}// 对象结构：文档
class Document {private java.util.List<DocumentElement> elements = new java.util.ArrayList<>();public void addElement(DocumentElement element) {elements.add(element);}public void removeElement(DocumentElement element) {elements.remove(element);}// 接受访问者，遍历所有元素public void accept(DocumentElementVisitor visitor) {for (DocumentElement element : elements) {element.accept(visitor);}}
}// 客户端使用示例
public class VisitorPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("📄 文档处理系统 - 访问者模式示例\n");// 创建文档和元素Document document = new Document();document.addElement(new Paragraph("这是一个关于设计模式的文档。"));document.addElement(new Image("diagram.png", 800, 600));document.addElement(new Paragraph("访问者模式非常强大。"));document.addElement(new Table(new String[][]{{"模式", "类型", "用途"},{"访问者", "行为型", "分离操作"},{"策略", "行为型", "替换算法"}}));document.addElement(new Paragraph("总结：访问者模式适用于稳定结构。"));// 使用打印访问者System.out.println("--- 执行打印操作 ---");PrintVisitor printVisitor = new PrintVisitor();document.accept(printVisitor); // 遍历元素，触发 accept -> visitSystem.out.println("\n--- 执行字数统计操作 ---");WordCountVisitor wordCountVisitor = new WordCountVisitor();document.accept(wordCountVisitor);System.out.println("📊 文档总字数: " + wordCountVisitor.getWordCount() + " 词");// 演示新增操作无需修改元素类System.out.println("\n--- 新增操作：元素类型检查 ---");// 只需定义新访问者class TypeCheckVisitor implements DocumentElementVisitor {@Overridepublic void visit(Paragraph paragraph) {System.out.println("✅ 元素: 段落, 内容长度: " + paragraph.getText().length());}@Overridepublic void visit(Image image) {System.out.println("✅ 元素: 图片, 文件: " + image.getFilename() + ", 尺寸: " + image.getWidth() + "x" + image.getHeight());}@Overridepublic void visit(Table table) {System.out.println("✅ 元素: 表格, 大小: " + table.getRows() + "x" + table.getCols());}}TypeCheckVisitor typeCheckVisitor = new TypeCheckVisitor();document.accept(typeCheckVisitor);}
}

实例对应的UML图（简化版）

运行说明：

DocumentElement 定义 accept()。
Paragraph, Image, Table 实现 accept()，内部调用 visitor.visit(this)。
DocumentElementVisitor 为每种元素声明 visit 重载。
PrintVisitor, WordCountVisitor 实现 visit 方法，提供具体操作。
Document 的 accept() 遍历所有元素，调用其 accept()。
新增 TypeCheckVisitor 无需修改任何元素类，完美体现开闭原则。

四、总结

特性	说明
核心目的	分离数据结构与操作，支持在不修改元素的情况下新增操作
实现机制	双重分派：元素 `accept` 访问者，访问者 `visit` 元素
优点	符合开闭原则（操作维度）、操作集中化、支持新操作、符合单一职责
缺点	违反里氏替换、元素新增困难（违反开闭原则-结构维度）、复杂性高、依赖具体类型
适用场景	稳定数据结构（如AST）、多操作需求、编译器、文档处理、报表生成
不适用场景	结构频繁变化、操作简单、避免继承/重载的语言