23种设计模式之桥接模式-Bridge

桥接模式Bridge

1、意图

结构型设计模式：这类模式介绍如何将对象和类组装成较大的结构，并同时保持结构的灵活和高效。

桥接模式是一种结构型设计模式，可将一个大类或一系列紧密相关的类拆分为抽象和实现两个独立的层次结构，从而能在开发时分别使用。

问题

假如你有一个几何 形状Shape类，从它能扩展出两个子类： 圆形Circle和 方形Square 。你希望对这样的类层次结构进行扩展以使其包含颜色，所以你打算创建名为 红色Red和 蓝色Blue的形状子类。但是，由于你已有两个子类，所以总共需要创建四个类才能覆盖所有组合，例如 蓝色圆形BlueCircle和 红色方形RedSquare 。

在层次结构中新增形状和颜色将导致代码复杂程度指数增长。例如添加三角形状，你需要新增两个子类，也就是每种颜色一个；此后新增一种新颜色需要新增三个子类，即每种形状一个。如此以往，情况会越来越糟糕。

解决方案

不应该在两个独立的维度-形状与颜色-上扩展形状类，桥接模式通过将继承改为组合的方式来解决这个问题。具体来说，就是抽取其中一个维度并使之成为独立的类层次（该维度做继承），这样就可以在初始类中引用这个新层次的对象，从而使得一个类不必拥有所有的状态与行为。

将一个类层次转化为多个相关的类层次，避免单个类层次的失控。

根据该方法，我们可以将颜色相关的代码抽取到拥有 红色和 蓝色两个子类的颜色类中，然后在 形状类中添加一个指向某一颜色对象的引用成员变量。现在，形状类可以将所有与颜色相关的工作委派给连入的颜色对象。这样的引用就成为了 形状和 颜色之间的桥梁。此后，新增颜色将不再需要修改形状的类层次，反之亦然。

抽象部分和实现部分

抽象部分（接口）是一些实体的高阶控制层。该层自身不完成任何具体的工作，它需要将工作委派给实现部分层（也被称为平台）。注意，这里提到的内容与编程语言中的接口或抽象类无关。它们并不是一回事。

在实际的程序中， 抽象部分是图形用户界面（GUI），而实现部分则是底层操作系统代码（API）， GUI 层调用 API 层来对用户的各种操作做出响应。一般来说，在两个独立方向上扩展这种应用：

开发多个不同的 GUI （例如面向普通用户和管理员进行分别配置）
支持多个不同的 API （例如，能够在 Windows、 Linux 和 macOS 上运行该程序）。

在庞杂的代码中，即使是很小的改动都非常难以完成，因为你必须要在整体上对代码有充分的理解。而在较小且定义明确的模块中，进行修改则要容易得多。所以要解耦

抽象部分：程序的 GUI 层。
实现部分：操作系统的 API。

创建跨平台应用程序的一种方法，java程序就是基于这种方式在跨平台运行的

抽象对象控制程序的外观，并将真实工作委派给连入的实现对象。不同的实现只要遵循相同的接口就可以互换，使同一 GUI 可在 Windows 和 Linux 下运行。

模式结构

抽象部分 （Abstraction）提供高层控制逻辑，依赖于完成底层实际工作的实现对象。
实现部分 （Implementation）为所有具体实现声明通用接口。抽象部分仅能通过在这里声明的方法与实现对象交互。抽象部分可以列出和实现部分一样的方法，但是抽象部分通常声明一些复杂行为，这些行为依赖于多种由实现部分声明的原语操作。
具体实现 （Concrete Implementations）中包括特定于平台的代码。
精确抽象 （Refined Abstraction）提供控制逻辑的变体。与其父类一样，它们通过通用实现接口与不同的实现进行交互。
客户端 （Client）仅关心如何与抽象部分合作。但是，客户端需要将抽象对象与一个实现对象连接起来。

伪代码

设备Device类作为实现部分，而 遥控器Remote类则作为抽象部分。

遥控器基类声明了一个指向设备对象的引用成员变量。所有遥控器通过通用设备接口与设备进行交互，使得同一个遥控器可以支持不同类型的设备。

你可以开发独立于设备类的遥控器类，只需新建一个遥控器子类即可。例如，基础遥控器可能只有两个按钮，但你可在其基础上扩展新功能，比如额外的一节电池或一块触摸屏。

客户端代码通过遥控器构造函数将特定种类的遥控器与设备对象连接起来。

// “抽象部分”定义了两个类层次结构中“控制”部分的接口。它管理着一个指向“实现部分”层次结构中对象的引用，并会将所有真实工作委派给该对象。
class RemoteControl is
    protected field device: Device
    constructor RemoteControl(device: Device) is
        this.device = device
    method togglePower() is
        if (device.isEnabled()) then
            device.disable()
        else
            device.enable()
    method volumeDown() is
        device.setVolume(device.getVolume() - 10)
    method volumeUp() is
        device.setVolume(device.getVolume() + 10)
    method channelDown() is
        device.setChannel(device.getChannel() - 1)
    method channelUp() is
        device.setChannel(device.getChannel() + 1)
 
// 你可以独立于设备类的方式从抽象层中扩展类。
class AdvancedRemoteControl extends RemoteControl is
    method mute() is
        device.setVolume(0)     

// “实现部分”接口声明了在所有具体实现类中通用的方法。它不需要与抽象接口相匹配。实际上，这两个接口可以完全不一样。通常实现接口只提供原语操作，而抽象接口则会基于这些操作定义较高层次的操作。
interface Device is
    method isEnabled()
    method enable()
    method disable()
    method getVolume()
    method setVolume(percent)
    method getChannel()
    method setChannel(channel)
  
 // 所有设备都遵循相同的接口。
class Tv implements Device is
    // ...
class Radio implements Device is 
  // ...

 // 客户端代码中的某个位置。
tv = new Tv()
remote = new RemoteControl(tv)
remote.togglePower()

radio = new Radio()
remote = new AdvancedRemoteControl(radio) 

应用场景

1) 如果你想要拆分或重组一个具有多重功能的庞杂类（例如能与多个数据库服务器进行交互的类），可以使用桥接模式。桥接模式可以将庞杂类拆分为几个类层次结构。此后，你可以修改任意一个类层次结构而不会影响到其他类层次结构。这种方法可以简化代码的维护工作，并将修改已有代码的风险降到最低。

2) 如果你希望在几个独立维度上扩展一个类，可使用该模式。

桥接建议将每个维度抽取为独立的类层次。初始类将相关工作委派给属于对应类层次的对象，无需自己完成所有工作。

3) 如果你需要在运行时切换不同实现方法，可使用桥接模式。或者策略模式

当然并不是说一定要实现这一点，桥接模式可替换抽象部分中的实现对象，具体操作就和给成员变量赋新值一样简单。

顺便提一句，最后一点是很多人混淆桥接模式和策略模式的主要原因。记住，设计模式并不仅是一种对类进行组织的方式，它还能用于沟通意图和解决问题。

实现方式

明确类中独立的维度。独立的概念可能是：抽象/平台，域/基础设施，前端/后端或接口/实现。
了解客户端的业务需求，并在抽象基类中定义它们。
确定在所有平台上都可执行的业务。并在通用实现接口中声明抽象部分所需的业务。
为你域内的所有平台创建实现类，但需确保它们遵循实现部分的接口。
在抽象类中添加指向实现类型的引用成员变量。抽象部分会将大部分工作委派给该成员变量所指向的实现对象。
如果你的高层逻辑有多个变体，则可通过扩展抽象基类为每个变体创建一个精确抽象。
客户端代码必须将实现对象传递给抽象部分的构造函数才能使其能够相互关联。此后，客户端只需与抽象对象进行交互，无需和实现对象打交道。

优缺点

优点

你可以创建与平台无关的类和程序。
客户端代码仅与高层抽象部分进行互动，不会接触到平台的详细信息。
开闭原则。你可以新增抽象部分和实现部分，且它们之间不会相互影响。
单一职责原则。抽象部分专注于处理高层逻辑，实现部分处理平台细节。

缺点

对高内聚的类使用该模式可能会让代码更加复杂

与其他模式的关系

桥接模式通常会于开发前期进行设计，使你能够将程序的各个部分独立开来以便开发。另一方面，适配器模式通常在已有程序中使用，让相互不兼容的类能很好地合作。
桥接、状态模式和策略模式（在某种程度上包括适配器）模式的接口非常相似。实际上，它们都基于组合模式——即将工作委派给其他对象，不过也各自解决了不同的问题。模式并不只是以特定方式组织代码的配方，你还可以使用它们来和其他开发者讨论模式所解决的问题。
你可以将抽象工厂模式和桥接搭配使用。如果由桥接定义的抽象只能与特定实现合作，这一模式搭配就非常有用。在这种情况下， 抽象工厂可以对这些关系进行封装，它由具体工厂创建一系列相关的对象，并且对客户端代码隐藏其复杂性。
你可以结合使用生成器模式和桥接模式：主管类负责抽象工作，各种不同的生成器负责实现工作

代码示例

桥接是一种结构型设计模式，可将业务逻辑或一个大类拆分为不同的层次结构，从而能独立地进行开发。

层次结构中的第一层（通常称为抽象部分）将包含对第二层（实现部分）对象的引用。抽象部分将能将一些（有时是绝大部分）对自己的调用委派给实现部分的对象。所有的实现部分都有一个通用接口，因此它们能在抽象部分内部相互替换。

在java中的使用

复杂度：3

流行度：1

桥接模式在处理跨平台应用、支持多种类型的数据库服务器或与多个特定种类（例如云平台和社交网络等）的 API 供应商协作时会特别有用。

识别方法： 桥接可以通过一些控制实体及其所依赖的多个不同平台之间的明确区别来进行识别。

设备与远程控制之间的桥接

本例展示了远程控制器及其所控制的设备的类之间的分离。

远程控制器是抽象部分，设备则是其实现部分。由于有通用的接口，同一远程控制器可与不同的设备合作，反过来也一样。桥接模式允许在不改动另一层次代码的前提下修改已有类，甚至创建新类。

设备-实现部分

1) devices/Device.java: 所有设备的通用接口

public interface Device {
  boolean isEnabled();
  void enable();
  void disable();
  int getVolume();
  void setVolume(int percent);
  int getChannel();
  void setChannel(int channel);
  void printStatus();
}

2) devices/Radio.java: 收音机

public class Radio implements Device {
    private boolean on = false;
    private int volume = 30;
    private int channel = 1;
  
    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return on;
    }
  
    @Override
    public void enable() {
        on = true;
    }
  
    @Override
    public void disable() {
        on = false;
    }
  
    @Override
    public int getVolume() {
        return volume;
    }
  
    @Override
    public void setVolume(int volume) {
        if (volume > 100) {
            this.volume = 100;
        } else if (volume < 0) {
            this.volume = 0;
        } else {
            this.volume = volume;
        }
    }
  
    @Override
    public int getChannel() {
        return channel;
    }
  
    @Override
    public void setChannel(int channel) {
        this.channel = channel;
    }
  
    @Override
    public void printStatus() {
        System.out.println("------------------------------------");
        System.out.println("| I'm radio.");
        System.out.println("| I'm " + (on ? "enabled" : "disabled"));
        System.out.println("| Current volume is " + volume + "%");
        System.out.println("| Current channel is " + channel);
        System.out.println("------------------------------------\n");
    }
}

3) devices/Tv.java: 电视机

public class Tv implements Device {
    private boolean on = false;
    private int volume = 30;
    private int channel = 1;
  
    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return on;
    }
  
    @Override
    public void enable() {
        on = true;
    }
  
    @Override
    public void disable() {
        on = false;
    }
  
    @Override
    public int getVolume() {
        return volume;
    }
  
    @Override
    public void setVolume(int volume) {
        if (volume > 100) {
            this.volume = 100;
        } else if (volume < 0) {
            this.volume = 0;
        } else {
            this.volume = volume;
        }
    }
  
    @Override
    public int getChannel() {
        return channel;
    }
  
    @Override
    public void setChannel(int channel) {
        this.channel = channel;
    }
  
    @Override
    public void printStatus() {
        System.out.println("------------------------------------");
        System.out.println("| I'm TV set.");
        System.out.println("| I'm " + (on ? "enabled" : "disabled"));
        System.out.println("| Current volume is " + volume + "%");
        System.out.println("| Current channel is " + channel);
        System.out.println("------------------------------------\n");
    }
}

控制器-抽象部分

1) remotes/Remote.java: 所有远程控制器的通用接口

public interface Remote {
    void power();
    void volumeDown();
    void volumeUp();
    void channelDown();
    void channelUp();
}

2) remotes/BasicRemote.java: 基础远程控制器

public class BasicRemote implements Remote {
    protected Device device;
  
    public BasicRemote() {}
  
    public BasicRemote(Device device) {
        this.device = device;
    }
  
    @Override
    public void power() {
        System.out.println("Remote: power toggle");
        if (device.isEnabled()) {
            device.disable();
        } else {
            device.enable();
        }
    }
  
    @Override
    public void volumeDown() {
        System.out.println("Remote: volume down");
        device.setVolume(device.getVolume() - 10);
    }
  
    @Override
    public void volumeUp() {
        System.out.println("Remote: volume up");
        device.setVolume(device.getVolume() + 10);
    }
  
    @Override
    public void channelDown() {
        System.out.println("Remote: channel down");
        device.setChannel(device.getChannel() - 1);
    }
  
    @Override
    public void channelUp() {
        System.out.println("Remote: channel up");
        device.setChannel(device.getChannel() + 1);
    }
}

3) remotes/AdvancedRemote.java: 高级远程控制器

public class AdvancedRemote extends BasicRemote {
    public AdvancedRemote(Device device) {
        super.device = device;
    }
  
    public void mute() {
        System.out.println("Remote: mute");
        device.setVolume(0);
    }
}

Demo.java: 客户端代码

public class Demo {
    public static void main(String[] args) {
        testDevice(new Tv());
        testDevice(new Radio());
    }
  
    public static void testDevice(Device device) {
        System.out.println("Tests with basic remote.");
        BasicRemote basicRemote = new BasicRemote(device);
        basicRemote.power();
        device.printStatus();
  
        System.out.println("Tests with advanced remote.");
        AdvancedRemote advancedRemote = new AdvancedRemote(device);
        advancedRemote.power();
        advancedRemote.mute();
        device.printStatus();
    }
}

OutputDemo.txt: 执行结果

Tests with basic remote.
Remote: power toggle
------------------------------------
| I'm TV set.
| I'm enabled
| Current volume is 30%
| Current channel is 1
------------------------------------
  
Tests with advanced remote.
Remote: power toggle
Remote: mute
------------------------------------
| I'm TV set.
| I'm disabled
| Current volume is 0%
| Current channel is 1
------------------------------------
  
Tests with basic remote.
Remote: power toggle
------------------------------------
| I'm radio.
| I'm enabled
| Current volume is 30%
| Current channel is 1
------------------------------------
  
Tests with advanced remote.
Remote: power toggle
Remote: mute
------------------------------------
| I'm radio.
| I'm disabled
| Current volume is 0%
| Current channel is 1
------------------------------------