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图解设计模式(10):Strategy模式(整体地替换算法)

设计模式 winrains 1年前 (2019-09-20) 55次浏览

使用Strategy模式可以整体地替换算法的实现部分,让我们轻松地以不同的算法去解决同一个问题,这种模式就是Strategy模式。

1 Strategy模式中的角色

  • Strategy(策略)

负责决定实现策略所必须的接口。在示例中,对应Strategy接口。

  • ConcreteStrategy(具体的策略)

负责实现Strategy角色的接口,在示例中,对应WinningStrategy类和ProbStrategy类。

  • Context(上下文)

负责使用Strategy角色。Context角色保存了ConcreteStrategy角色的实例,并使用ConcreteStrategy角色去实现需求。在示例中,对应Player类。

2 Strategy模式类图

3 示例程序

示例程序的功能是让电脑玩“猜拳”游戏,定义了两种猜拳的策略,第一种策略是“如果这局猜拳获胜,那么下一局也出一样的手势”(WinningStrategy),这是一种稍微有些笨的策略;另外一种策略是“根据上一局的手势从概率上计算出下一局的手势”(ProbStrategy)。

3.1 类和接口一览表

名字 说明
Hand 表示猜拳游戏中的“手势”的类
Strategy 表示猜拳游戏中的策略的类
WinningStrategy 策略类的一种实现类
ProbStrategy 策略类的另一种实现类
Player 表示进行猜拳游戏的选手的类
Main 测试程序行为的类

3.2 类图

3.3 示例代码

Hand类

表示猜拳游戏中的“手势”的类。
虽然Hand类会被其他类使用,但它并非Strategy模式中的角色。

public class Hand {
    public static final int HANDVALUE_GUU = 0;  // 表示石头的值
    public static final int HANDVALUE_CHO = 1;  // 表示剪刀的值
    public static final int HANDVALUE_PAA = 2;  // 表示布的值
    public static final Hand[] hand = {         // 表示猜拳中3种手势的实例
        new Hand(HANDVALUE_GUU),
        new Hand(HANDVALUE_CHO),
        new Hand(HANDVALUE_PAA),
    };
    private static final String[] name = {      // 表示猜拳中手势所对应的字符串
        "石头", "剪刀", "布",
    };
    private int handvalue;                      // 表示猜拳中出的手势的值
    private Hand(int handvalue) {
        this.handvalue = handvalue;
    }
    public static Hand getHand(int handvalue) { // 根据手势的值获取其对应的实例
        return hand[handvalue];
    }
    public boolean isStrongerThan(Hand h) {     // 如果this胜了h则返回true
        return fight(h) == 1;
    }
    public boolean isWeakerThan(Hand h) {       // 如果this输给了h则返回true
        return fight(h) == -1;
    }
    private int fight(Hand h) {                 // 计分:平0, 胜1, 负-1
        if (this == h) {
            return 0;
        } else if ((this.handvalue + 1) % 3 == h.handvalue) {
            return 1;
        } else {
            return -1;
        }
    }
    public String toString() {                  // 转换为手势值所对应的字符串
        return name[handvalue];
    }
}

Strategy接口

定义了猜拳策略的抽象方法的接口。
nextHand方法的作用是“获取下一局要出的手势”,study方法的作用是学习“上一局的手势是否获胜了”,如果在上一局中调用nextHand方法获胜了,就接着调用study(true);如果输了,就接着调用study(false)。这样,Strategy接口的实现类就会改变自己的内部状态,从而为下一次nextHand被调用时返回何值提供判断依据。

public interface Strategy {
    public abstract Hand nextHand();
    public abstract void study(boolean win);
}

WinningStrategy类

Strategy接口的实现类,实现了nextHandstudy两个方法。
在preHand字段中保存的是上一局出的手势。

import java.util.Random;
public class WinningStrategy implements Strategy {
    private Random random;
    private boolean won = false;
    private Hand prevHand;
    public WinningStrategy(int seed) {
        random = new Random(seed);
    }
    public Hand nextHand() {
        if (!won) {
            prevHand = Hand.getHand(random.nextInt(3));
        }
        return prevHand;
    }
    public void study(boolean win) {
        won = win;
    }
}

ProbStrategy类

Strategy接口的另一实现类。
history字段是一个表,被用于根据过去的胜负来进行概率计算。它是一个二维数组,每个数组下标的意思如下:
history[上一局出的手势][这一局所出的手势]
这个表达式的值越大,表示过去的胜率越高。
study方法会根据nextHand方法返回的手势的胜负结果来更新history字段中的值。

import java.util.Random;
public class ProbStrategy implements Strategy {
    private Random random;
    private int prevHandValue = 0;
    private int currentHandValue = 0;
    private int[][] history = {
        { 1, 1, 1, },
        { 1, 1, 1, },
        { 1, 1, 1, },
    };
    public ProbStrategy(int seed) {
        random = new Random(seed);
    }
    public Hand nextHand() {
        int bet = random.nextInt(getSum(currentHandValue));
        int handvalue = 0;
        if (bet < history[currentHandValue][0]) {
            handvalue = 0;
        } else if (bet < history[currentHandValue][0] + history[currentHandValue][1]) {
            handvalue = 1;
        } else {
            handvalue = 2;
        }
        prevHandValue = currentHandValue;
        currentHandValue = handvalue;
        return Hand.getHand(handvalue);
    }
    private int getSum(int hv) {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 3; i++) {
            sum += history[hv][i];
        }
        return sum;
    }
    public void study(boolean win) {
        if (win) {
            history[prevHandValue][currentHandValue]++;
        } else {
            history[prevHandValue][(currentHandValue + 1) % 3]++;
            history[prevHandValue][(currentHandValue + 2) % 3]++;
        }
    }
}

Player类

Player类是表示进行猜拳游戏的选手的类。
在生成Player类的实例时,需要向其传递“姓名”和“策略”。Player类的nextHand方法的返回值其实就是策略的nextHand方法的返回值。nextHand方法将自己的工作委托给了Strategy,这就形成了一种委托关系。

public class Player {
    private String name;
    private Strategy strategy;
    private int wincount;
    private int losecount;
    private int gamecount;
    public Player(String name, Strategy strategy) {         // 赋予姓名和策略
        this.name = name;
        this.strategy = strategy;
    }
    public Hand nextHand() {                                // 策略决定下一局要出的手势
        return strategy.nextHand();
    }
    public void win() {                 // 胜
        strategy.study(true);
        wincount++;
        gamecount++;
    }
    public void lose() {                // 负
        strategy.study(false);
        losecount++;
        gamecount++;
    }
    public void even() {                // 平
        gamecount++;
    }
    public String toString() {
        return "[" + name + ":" + gamecount + " games, " + wincount + " win, " + losecount + " lose" + "]";
    }
}

Main类

负责使用以上类让电脑进行猜拳游戏,这里Main类让以下两位选手进行1000局比赛,然后显示比赛结果。
姓名:”Taro”、策略:WinningStrategy
姓名:”Hana”、策略:ProbStrategy

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        if (args.length != 2) {
            System.out.println("Usage: java Main randomseed1 randomseed2");
            System.out.println("Example: java Main 314 15");
            System.exit(0);
        }
        int seed1 = Integer.parseInt(args[0]);
        int seed2 = Integer.parseInt(args[1]);
        Player player1 = new Player("Taro", new WinningStrategy(seed1));
        Player player2 = new Player("Hana", new ProbStrategy(seed2));
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            Hand nextHand1 = player1.nextHand();
            Hand nextHand2 = player2.nextHand();
            if (nextHand1.isStrongerThan(nextHand2)) {
                System.out.println("Winner:" + player1);
                player1.win();
                player2.lose();
            } else if (nextHand2.isStrongerThan(nextHand1)) {
                System.out.println("Winner:" + player2);
                player1.lose();
                player2.win();
            } else {
                System.out.println("Even...");
                player1.even();
                player2.even();
            }
        }
        System.out.println("Total result:");
        System.out.println(player1.toString());
        System.out.println(player2.toString());
    }
}

运行结果

java Main 314 15
开头省略
Even...
Winner:[Hana:9984 games, 3485 win, 3162 lose]
Winner:[Taro:9985 games, 3162 win, 3486 lose]
Even...
Winner:[Hana:9987 games, 3486 win, 3163 lose]
Winner:[Taro:9988 games, 3163 win, 3487 lose]
Winner:[Hana:9989 games, 3487 win, 3164 lose]
Even...
Even...
Winner:[Taro:9992 games, 3164 win, 3488 lose]
Winner:[Hana:9993 games, 3488 win, 3165 lose]
Winner:[Taro:9994 games, 3165 win, 3489 lose]
Winner:[Taro:9995 games, 3166 win, 3489 lose]
Winner:[Hana:9996 games, 3489 win, 3167 lose]
Even...
Even...
Even...
Total result:
[Taro:10000 games, 3167 win, 3490 lose]
[Hana:10000 games, 3490 win, 3167 lose]

4 总结

通常在编程时算法会被写在具体方法中,Strategy模式却特意将算法与其他部分分离开来,这样当我们想要通过改善算法来提高算法的处理速度时,就不必修改Strategy角色的接口,仅仅修改ConcreteStrategy角色即可。而且,使用委托这种弱关联关系可以很方便地整体替换算法。

摘自《图解设计模式》


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