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【再谈设计模式】桥接模式 ~ 抽象与实现的灵活桥梁

article 2024/12/4 21:43:38

一、引言

在软件开发过程中，软件设计中，面对复杂性和变化性时，设计模式提供了一种优雅的解决方案。桥接模式（Bridge Pattern）是一种结构型设计模式，它通过将抽象与实现分离来实现灵活的扩展。本文将深入探讨桥接模式的定义、适用场景、现实生活中的例子，以及在不同编程语言中的实现示例，最后分析其优缺点并讨论其升级版。

二、定义与描述

桥接模式的核心思想是将一个类的抽象部分与其实现部分分离，使它们可以独立变化。通过这种方式，桥接模式能够降低系统的复杂性，提高代码的可扩展性和可维护性。

结构

桥接模式主要包含以下几个角色：

抽象类（Abstraction）：定义了高层接口，包含一个对实现部分的引用。
扩展抽象类（Refined Abstraction）：扩展了抽象类的接口。
实现类接口（Implementor）：定义了实现类的接口，但不一定要与抽象类的接口完全一致。
具体实现类（Concrete Implementor）：实现了实现类接口的具体类。

三、抽象背景

在软件开发中，常常会遇到需要同时改变多个维度的情况。例如，在图形绘制应用中，我们可能需要同时支持不同的形状（如圆形、方形）和不同的颜色（如红色、蓝色）。如果直接使用继承的方式来处理，可能会导致类的数量急剧增加，进而导致系统复杂性增加。

四、适用场景与现实问题解决

适用于场景

系统需要在多个维度上进行扩展：如图形、颜色、形状等。
避免在抽象和实现之间的紧耦合：当实现变化频繁时，桥接模式可以减少修改的影响。
需要在运行时选择实现：如不同平台上的功能实现。

现实问题解决

假设我们在开发一个图形绘制应用，需要支持多种形状和颜色。使用桥接模式，我们可以将形状和颜色的实现分开，使得添加新形状或新颜色时不需要修改已有的代码。

五、现实生活中的例子

遥控器和设备

想象一下，遥控器是一个抽象类，而具体的设备（如电视、空调、音响等）是实现类。遥控器可以有不同的品牌和型号，但它可以控制多种设备。通过桥接设计模式，遥控器的操作（如开关、调节音量）与具体设备的实现分开，这样你可以轻松添加新设备或新遥控器而不需要修改已有的代码。

抽象类：遥控器（RemoteControl）
实现类：电视（TV）、空调（AirConditioner）
桥接：遥控器可以通过不同的设备接口实现不同的控制方式。

图形绘制

在图形绘制软件中，可以有不同的形状（如圆形、方形）和不同的绘图方式（如矢量绘图、位图绘图）。在这个例子中，形状是抽象类，而具体的绘图方式是实现类。通过桥接设计模式，用户可以在不改变形状的情况下，选择不同的绘图方式，或者在不改变绘图方式的情况下，添加新的形状。

抽象类：形状（Shape）
实现类：矢量绘图（VectorDrawing）、位图绘图（RasterDrawing）
桥接：不同的形状可以使用不同的绘图方式进行绘制，灵活性更高。

六、各种编程语言的实现示例

代码设计

类图：

Device是一个接口，定义了turnOn和turnOff方法，TV和Radio类实现了该接口，表示具体的设备。
RemoteControl是抽象类，包含了对Device的引用，并且有抽象的turnOn和turnOff方法。
AdvancedRemoteControl是RemoteControl的具体扩展类，实现了抽象类中的turnOn和turnOff方法，通过调用所关联的Device的相应方法来实现功能。
关联关系表示了RemoteControl及其子类与Device之间的依赖关系，即通过持有Device对象来实现对不同设备的控制操作。

流程图：

首先开始流程，然后依次展示了创建电视设备、创建关联电视的高级遥控器并进行打开和关闭电视的操作步骤。
接着又展示了创建收音机设备、创建关联收音机的高级遥控器并进行打开和关闭收音机的操作步骤。
最后流程结束。

Java实现

// 实现类接口
interface Device {
    void turnOn();
    void turnOff();
}

// 具体实现类
class TV implements Device {
    public void turnOn() {
        System.out.println("电视打开");
    }
    
    public void turnOff() {
        System.out.println("电视关闭");
    }
}

class Radio implements Device {
    public void turnOn() {
        System.out.println("收音机打开");
    }
    
    public void turnOff() {
        System.out.println("收音机关闭");
    }
}

// 抽象类
abstract class RemoteControl {
    protected Device device;

    public RemoteControl(Device device) {
        this.device = device;
    }

    abstract void turnOn();
    abstract void turnOff();
}

// 扩展抽象类
class AdvancedRemoteControl extends RemoteControl {
    public AdvancedRemoteControl(Device device) {
        super(device);
    }

    public void turnOn() {
        device.turnOn();
    }

    public void turnOff() {
        device.turnOff();
    }
}

// 客户端代码
public class BridgePatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Device tv = new TV();
        RemoteControl remote = new AdvancedRemoteControl(tv);
        remote.turnOn();
        remote.turnOff();
        
        Device radio = new Radio();
        remote = new AdvancedRemoteControl(radio);
        remote.turnOn();
        remote.turnOff();
    }
}

C++实现

#include <iostream>
using namespace std;

// 实现类接口
class Device {
public:
    virtual void turnOn() = 0;
    virtual void turnOff() = 0;
};

// 具体实现类
class TV : public Device {
public:
    void turnOn() override {
        cout << "电视打开" << endl;
    }
    
    void turnOff() override {
        cout << "电视关闭" << endl;
    }
};

class Radio : public Device {
public:
    void turnOn() override {
        cout << "收音机打开" << endl;
    }
    
    void turnOff() override {
        cout << "收音机关闭" << endl;
    }
};

// 抽象类
class RemoteControl {
protected:
    Device* device;

public:
    RemoteControl(Device* device) : device(device) {}
    virtual void turnOn() = 0;
    virtual void turnOff() = 0;
};

// 扩展抽象类
class AdvancedRemoteControl : public RemoteControl {
public:
    AdvancedRemoteControl(Device* device) : RemoteControl(device) {}

    void turnOn() override {
        device->turnOn();
    }

    void turnOff() override {
        device->turnOff();
    }
};

// 客户端代码
int main() {
    Device* tv = new TV();
    RemoteControl* remote = new AdvancedRemoteControl(tv);
    remote->turnOn();
    remote->turnOff();
    
    Device* radio = new Radio();
    remote = new AdvancedRemoteControl(radio);
    remote->turnOn();
    remote->turnOff();

    delete tv;
    delete radio;
    delete remote;
    return 0;
}

Python实现

# 实现类接口
class Device:
    def turn_on(self):
        pass

    def turn_off(self):
        pass

# 具体实现类
class TV(Device):
    def turn_on(self):
        print("电视打开")

    def turn_off(self):
        print("电视关闭")

class Radio(Device):
    def turn_on(self):
        print("收音机打开")

    def turn_off(self):
        print("收音机关闭")

# 抽象类
class RemoteControl:
    def __init__(self, device):
        self.device = device

    def turn_on(self):
        pass

    def turn_off(self):
        pass

# 扩展抽象类
class AdvancedRemoteControl(RemoteControl):
    def turn_on(self):
        self.device.turn_on()

    def turn_off(self):
        self.device.turn_off()

# 客户端代码
if __name__ == "__main__":
    tv = TV()
    remote = AdvancedRemoteControl(tv)
    remote.turn_on()
    remote.turn_off()

    radio = Radio()
    remote = AdvancedRemoteControl(radio)
    remote.turn_on()
    remote.turn_off()

Go实现

package main

import "fmt"

// 实现类接口
type Device interface {
	turnOn()
	turnOff()
}

// 具体实现类
type TV struct{}

func (t *TV) turnOn() {
	fmt.Println("电视打开")
}

func (t *TV) turnOff() {
	fmt.Println("电视关闭")
}

type Radio struct{}

func (r *Radio) turnOn() {
	fmt.Println("收音机打开")
}

func (r *Radio) turnOff() {
	fmt.Println("收音机关闭")
}

// 抽象类
type RemoteControl struct {
	device Device
}

func (r *RemoteControl) turnOn() {
	r.device.turnOn()
}

func (r *RemoteControl) turnOff() {
	r.device.turnOff()
}

// 客户端代码
func main() {
	tv := &TV{}
	remote := &RemoteControl{device: tv}
	remote.turnOn()
	remote.turnOff()

	radio := &Radio{}
	remote.device = radio
	remote.turnOn()
	remote.turnOff()
}