【设计模式精讲 Day 18】备忘录模式（Memento Pattern）
文章内容
开篇
在“设计模式精讲”系列的第18天，我们来探讨备忘录模式（Memento Pattern）。这是一种行为型设计模式，其核心思想是在不破坏封装性的前提下，捕获并外部化一个对象的内部状态，以便在需要时恢复该对象的状态。
备忘录模式广泛应用于需要支持撤销操作、快照功能、版本控制等场景中。它能够帮助开发者在不暴露对象内部结构的前提下，实现对对象状态的保存与恢复，从而提升系统的灵活性和可维护性。
本篇文章将从理论到实践全面解析备忘录模式，包括其定义、结构、适用场景、实现方式、优缺点分析，并结合真实项目案例进行深入讲解，帮助你掌握这一实用的设计模式。
模式定义
备忘录模式是一种行为型设计模式，它允许在不暴露对象内部状态的情况下，捕获并存储该对象的状态，以便后续恢复。通过这种方式，可以实现对象的回退、撤销等功能。
核心思想：
- 保存状态：在对象发生变化之前，将其状态保存下来。
- 恢复状态：在需要的时候，将对象恢复到之前保存的状态。
- 封装性：状态的保存和恢复过程对外部是透明的，不依赖于对象的内部实现。
模式结构
备忘录模式包含以下三个关键角色：
| 角色 | 职责 |
|---|---|
| Originator（发起人） | 负责创建自身的状态快照（备忘录），并能根据备忘录恢复自身状态。 |
| Memento（备忘录） | 存储Originator的内部状态，通常是一个不可变对象。 |
| Caretaker（管理者） | 负责保存备忘录，但不会修改或查看备忘录的内容。 |
UML类图描述（文字版）：
Originator类有一个方法createMemento()，用于生成一个Memento对象。Memento类包含Originator的状态信息，提供访问器方法供Originator使用。Caretaker类维护一个Memento的集合或单个实例，并通过setMemento()方法将Memento传递给Originator，以恢复其状态。
适用场景
备忘录模式适用于以下几种典型场景：
| 场景 | 说明 |
|---|---|
| 撤销/重做功能 | 在编辑器、IDE等应用中，用户执行操作后可以通过备忘录模式快速回退到之前的版本。 |
| 版本控制 | 在文档、代码等系统中，记录不同版本的状态，便于回溯或对比。 |
| 事务处理 | 在数据库事务中，如果事务失败，可以通过备忘录模式回滚到事务开始前的状态。 |
| 游戏存档 | 游戏中保存玩家当前状态，便于下次继续游戏。 |
这些场景的核心需求是：在不暴露对象内部状态的前提下，实现状态的保存与恢复。
实现方式
下面是一个完整的Java实现示例，展示如何使用备忘录模式。
1. Memento 类
public class Memento {private final String state;public Memento(String state) {this.state = state;}public String getState() {return state;}
}
2. Originator 类
public class Originator {private String state;public void setState(String state) {this.state = state;}public String getState() {return state;}public Memento createMemento() {return new Memento(this.state);}public void restoreMemento(Memento memento) {this.state = memento.getState();}
}
3. Caretaker 类
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;public class Caretaker {private List<Memento> mementos = new ArrayList<>();public void addMemento(Memento memento) {mementos.add(memento);}public Memento getMemento(int index) {return mementos.get(index);}
}
4. 测试类
public class MementoPatternDemo {public static void main(String[] args) {Originator originator = new Originator();Caretaker caretaker = new Caretaker();originator.setState("State 1");System.out.println("Initial State: " + originator.getState());caretaker.addMemento(originator.createMemento());originator.setState("State 2");System.out.println("Current State: " + originator.getState());caretaker.addMemento(originator.createMemento());originator.setState("State 3");System.out.println("Current State: " + originator.getState());caretaker.addMemento(originator.createMemento());System.out.println("Restoring to State 2...");originator.restoreMemento(caretaker.getMemento(1));System.out.println("Current State after restore: " + originator.getState());}
}
输出结果：
Initial State: State 1
Current State: State 2
Current State: State 3
Restoring to State 2...
Current State after restore: State 2
关键设计决策说明
Memento是一个不可变对象，确保状态一旦创建就不会被修改。Originator只负责状态的保存和恢复，不关心如何存储或管理备忘录。Caretaker仅负责保存和获取备忘录，不参与状态的修改，保证了封装性。
工作原理
备忘录模式的工作原理基于状态的外部化存储。当对象处于某个特定状态时，调用 createMemento() 方法，将当前状态复制为一个备忘录对象。之后，可以通过 restoreMemento() 方法将对象恢复到该状态。
这种机制避免了直接访问对象内部属性，保持了良好的封装性。同时，由于备忘录本身是只读的，也防止了外部对状态的非法修改。
优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| 封装性好：状态保存和恢复过程对外部透明，不暴露内部结构。 | 内存消耗大：如果对象状态复杂或频繁保存，会占用较多内存。 |
| 支持撤销操作：非常适合实现撤销、重做等功能。 | 无法跨平台恢复：备忘录通常依赖于具体实现，难以跨语言或跨系统使用。 |
| 易于扩展：可以在不修改原有代码的基础上添加新的状态保存策略。 | 实现成本较高：对于复杂对象，需要额外编写状态保存和恢复逻辑。 |
案例分析
场景：文本编辑器中的撤销功能
在开发一个简单的文本编辑器时，用户可能希望支持“撤销”操作。例如，用户输入了一段文字，然后删除了部分内容，这时他希望恢复到之前的状态。
问题
- 如何在不暴露编辑器内部状态的前提下，实现撤销功能？
- 如何避免每次操作都重新构建整个文本内容？
解决方案
使用备忘录模式，每次用户执行操作后，将当前文本内容保存为一个备忘录。当用户点击“撤销”时，从备忘录中恢复上一个状态。
实现代码（简化版）
class TextEditor {private String content;public void setContent(String content) {this.content = content;}public String getContent() {return content;}public Memento saveState() {return new Memento(content);}public void restoreState(Memento memento) {this.content = memento.getState();}
}class EditorCaretaker {private List<Memento> history = new ArrayList<>();public void save(TextEditor editor) {history.add(editor.saveState());}public Memento getLastState() {if (history.isEmpty()) return null;return history.remove(history.size() - 1);}
}
使用示例
public class TextEditorDemo {public static void main(String[] args) {TextEditor editor = new TextEditor();EditorCaretaker caretaker = new EditorCaretaker();editor.setContent("Hello, World!");caretaker.save(editor);editor.setContent("Hello, CSDN!");caretaker.save(editor);System.out.println("Current content: " + editor.getContent());// 撤销到最后一个状态Memento lastState = caretaker.getLastState();if (lastState != null) {editor.restoreState(lastState);System.out.println("After undo: " + editor.getContent());}}
}
输出结果：
Current content: Hello, CSDN!
After undo: Hello, World!
这个案例展示了备忘录模式在实际项目中的应用价值，特别是在需要支持撤销操作的场景中非常实用。
与其他模式的关系
备忘录模式常与以下模式配合使用：
| 模式 | 说明 |
|---|---|
| 命令模式（Command Pattern） | 命令模式用于封装请求，而备忘录模式用于保存状态。两者结合可用于实现撤销操作。 |
| 迭代器模式（Iterator Pattern） | 迭代器模式用于遍历集合，而备忘录模式可用于保存遍历过程中的状态。 |
| 状态模式（State Pattern） | 状态模式用于管理对象的不同状态，而备忘录模式可用于保存当前状态。两者结合可用于实现更复杂的业务逻辑。 |
在某些场景下，备忘录模式还可以与原型模式结合使用，实现对象的深拷贝和状态还原。
总结
本篇文章详细讲解了备忘录模式的定义、结构、适用场景、实现方式及优缺点分析，并通过一个文本编辑器的案例展示了其实际应用场景。备忘录模式在实现撤销、版本控制、事务回滚等场景中具有重要价值。
在面向对象设计中，备忘录模式体现了封装性和单一职责原则，有助于提高系统的可维护性和可扩展性。
下一篇预告
明天我们将进入“设计模式精讲”的第19天，讲解观察者模式（Observer Pattern），它是实现对象间一对多依赖关系的重要设计模式，广泛应用于事件驱动系统中。敬请期待！
文章标签
design-patterns,memento-pattern,java-design-patterns,software-architecture,java-programming
文章简述
本文是“设计模式精讲”系列的第18天，重点讲解备忘录模式（Memento Pattern）。备忘录模式是一种行为型设计模式，允许在不破坏封装性的前提下，捕获并保存对象的状态，以便在需要时恢复。文章从理论到实践，系统地介绍了该模式的定义、结构、适用场景、实现方式以及优缺点分析，并通过一个文本编辑器的案例展示了其在实际项目中的应用。此外，还讨论了备忘录模式与其他设计模式的关系，如命令模式、状态模式等。通过本文的学习，读者可以掌握如何在实际开发中灵活运用备忘录模式，提升系统的可维护性和可扩展性。
进一步学习资料
- Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software
- Head First Design Patterns
- Java Design Patterns - A Tutorial
- Java 中的备忘录模式详解
- Effective Java by Joshua Bloch
核心设计思想总结
通过本篇文章，我们掌握了以下核心设计思想：
- 封装性：备忘录模式通过将状态保存在外部对象中，避免了直接暴露对象的内部状态。
- 状态管理：支持对象状态的保存与恢复，适用于撤销、版本控制等场景。
- 解耦设计：
Originator和Caretaker之间职责分离，降低了耦合度。 - 可扩展性：备忘录模式易于扩展，可以在不修改原有代码的基础上增加新的状态保存策略。
在实际项目中，你可以将备忘录模式用于实现撤销功能、游戏存档、事务回滚等场景，从而提升系统的灵活性和用户体验。
