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Java设计模式-结构型模式-桥接模式

推荐一读的概述

毛笔和蜡笔是两种很常见的文具，它们都归属于画笔。假设需要大、中、小 3 种型号的画笔，能够绘制 12 种不同的颜色，如果使用蜡笔，需要准备 3 × 12 = 36 支，但是如果使用毛笔，只需要提供 3 种型号的毛笔，外加一个包含 12 种颜色的调色板，涉及的对象个数仅为 3 + 12 = 15，远小于 36 ，却能够实现 36 支蜡笔同样的功能。如果增加一种新型号的画笔，并且也需要具有 12 种颜色，对应的蜡笔需要增加 12 支，而毛笔只需要增加 1 支。

不难得知，在蜡笔中，颜色和型号两个不同的变化维度耦合在一起，无论是对颜色进行扩展还是对型号进行扩展势必会影响另一个维度；但在毛笔中，颜色和型号实现了分离，增加新的颜色或者型号对另一方没有任何影响。如果使用软件工程中的术语，可以认为在蜡笔中颜色和型号之间存在较强的耦合性，而毛笔很好地将二者解耦，使用起来更加的灵活，扩展也更为方便。在软件开发中有一种设计模式可以用来处理与画笔类似的具有多变化维度的情况，这就是 桥接模式 。

在桥接模式中将两个独立变化的维度设计为两个独立的继承等级结构，而不是将二者耦合在一起形成多层继承结构。桥接模式在抽象层建立起一个抽象关联，该关联关系类似一条连接两个独立继承结构的桥，故名桥接模式。

桥接模式：将抽象部分与它的实现部分解耦，使得两者都能够独立变化。

桥接模式是一种对象结构型模式，它又被称为柄体（Handle and Body）模式或接口（Interface）模式。桥接模式用一种巧妙地方式处理多层继承存在的问题，用抽象关系取代了传统的多层继承，将类之间的静态继承关系转换为动态的对象组合关系，使得系统更加灵活，并易于扩展，同时有效地控制了系统中类的个数。

2 结构与实现

2.1 桥接模式结构

桥接模式包含以下 4 个角色：

Abstraction(抽象类) ：它是用于定义抽象类的接口，通常是抽象类而不是接口，其中定义了一个 Implementor (实现类接口) 类型的对象并可以维护该对象，它与 Implementor 之间具有关联关系，它既可以包含抽象业务方法，也可以包含具体业务方法。
RefinedAbstraction(扩充抽象类) ：它扩充由 Abstraction 定义的接口，通常情况下它不再是抽象类而是具体类，实现了在 Abstraction 中声明的业务方法，在 RefinedAbstraction 中可以调用 Implementor 中定义的业务方法。
Implementor(实现类接口) ：它是定义实现类的接口，这个接口不一定要与 Abstraction 的接口完全一致，事实上这两个接口可以完全不同。一般而言，Implementor 接口仅仅是提供基本操作，而 Abstraction 定义的接口可能会做更多复杂的操作。Implementor 接口对这些基本操作进行了声明，而具体实现交给其子类。通过关联关系，在 Abstrction 中不仅拥有自己的方法，还可以调用 Implementor 中定义的方法，使用关联关系来替代继承关系。
ConcreteImplementor(具体实现类) ：它具体实现了 Implementor 接口，在不同的 ConcreteImplementor 中提供基本操作的不同实现，在程序运行时 ConcreteImplementor 对象将替换父类对象，提供给抽象类具体的业务操作方法。

2.2 桥接模式举例

一、背景介绍

某软件公司要开发一个跨平台图像浏览系统，要求该系统能够显示 BMP、JPG、GIF、PNG 等多种格式的文件，并且能够在 Windows、Linux、UNIX 等多个操作系统上运行。系统首先将各种格式的文件解析为像素矩阵（Matrix），然后将像素矩阵显示在屏幕上，在不同的操作系统中可以调用不同的绘制函数来绘制像素矩阵。系统需要具有较好的扩展性，以便在将来支持新的文件格式和操作系统。请使用桥接模式。

二、项目结构

三、项目 UML

四、抽象类

Image 抽象类

import StructuralPattern.BridgePattern.Implementator.ImageImpl;

public abstract class Image {
    protected ImageImpl imageImpl;

    //注入实现类接口对象
    public void setImageImpl(ImageImpl imageImpl) {
        this.imageImpl = imageImpl;
    }

    public abstract void parseFile(String fileName);
}
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五、扩充抽象类

BMPImage 扩充抽象类

import StructuralPattern.BridgePattern.Abstraction.Image;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class BMPImage extends Image {
    @Override
    public void parseFile(String fileName) {
        //模拟解析 BMP 文件并获得一个像素矩阵对象 m
        Matrix m = new Matrix();
        imageImpl.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式为 BMP 。");
    }
}
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JPGImage 扩充抽象类

import StructuralPattern.BridgePattern.Abstraction.Image;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class JPGImage extends Image {
    @Override
    public void parseFile(String fileName) {
        //模拟解析 JPG 文件并获得一个像素矩阵对象 m
        Matrix m = new Matrix();
        imageImpl.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式为 JPG 。");
    }
}
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GIFImage 扩充抽象类

import StructuralPattern.BridgePattern.Abstraction.Image;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class GIFImage extends Image {
    @Override
    public void parseFile(String fileName) {
        //模拟解析 GIF 文件并获得一个像素矩阵对象 m
        Matrix m = new Matrix();
        imageImpl.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式为 GIF 。");
    }
}
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PNGImage 扩充抽象类

import StructuralPattern.BridgePattern.Abstraction.Image;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class PNGImage extends Image {
    @Override
    public void parseFile(String fileName) {
        //模拟解析 PNG 文件并获得一个像素矩阵对象 m
        Matrix m = new Matrix();
        imageImpl.doPaint(m);
        System.out.println(fileName + "，格式为 PNG 。");
    }
}
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六、实现类接口

ImageImpl

import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public interface ImageImpl {
    public void doPaint(Matrix m);
}
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七、具体实现类

WindowsImpl

import StructuralPattern.BridgePattern.Implementator.ImageImpl;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class WindowsImpl implements ImageImpl {
    @Override
    public void doPaint(Matrix m) {
        System.out.print("在 Windows 操作系统中显示图像：");
    }
}
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LinuxImpl

import StructuralPattern.BridgePattern.Implementator.ImageImpl;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class LinuxImpl implements ImageImpl {
    @Override
    public void doPaint(Matrix m) {
        System.out.print("在 Linux 操作系统中显示图像：");
    }
}
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UnixImpl

import StructuralPattern.BridgePattern.Implementator.ImageImpl;
import StructuralPattern.BridgePattern.Matrix;

public class UnixImpl implements ImageImpl {
    @Override
    public void doPaint(Matrix m) {
        System.out.print("在 UNIX 操作系统中显示图像：");
    }
}
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八、Matrix 辅助类

public class Matrix {
}
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九、config.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<config>
    <!--RefinedAbstraction-->
    <className>StructuralPattern.BridgePattern.RefinedAbstraction.JPGImage</className>
    <!--ConcreteImplementor-->
    <className>StructuralPattern.BridgePattern.ConcreteImplementor.WindowsImpl</className>
</config>
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十、XMLUtil

import org.w3c.dom.Document;
import org.w3c.dom.Node;
import org.w3c.dom.NodeList;

import javax.xml.parsers.DocumentBuilder;
import javax.xml.parsers.DocumentBuilderFactory;

public class XMLUtil {
    public static Object getBean(String args) {
        try {
            //todo:创建 DOM 文档对象
            DocumentBuilderFactory documentBuilderFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance();
            DocumentBuilder documentBuilder = documentBuilderFactory.newDocumentBuilder();
            Document doc;
            doc = documentBuilder.parse("src//StructuralPattern//BridgePattern//config.xml");
            //todo:获取包含类名的文本节点
            NodeList nodeList = null;
            Node classNode = null;
            String cName = null;
            nodeList = doc.getElementsByTagName("className");

            if (args.equals("image")) {
                //todo:获取第一个包含类名的节点，即扩充抽象类
                classNode = nodeList.item(0).getFirstChild();
            } else if (args.equals("os")) {
                //todo:获取第二个包含类名的节点，即具体实现类
                classNode = nodeList.item(1).getFirstChild();
            }

            cName = classNode.getNodeValue();
            //todo:通过类名生成实例对象并将其返回
            Class clz = Class.forName(cName);
            Object obj = clz.newInstance();
            return obj;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}
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十一、测试客户类

import StructuralPattern.BridgePattern.Abstraction.Image;
import StructuralPattern.BridgePattern.Implementator.ImageImpl;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Image image;
        ImageImpl imageImpl;
        image = (Image) XMLUtil.getBean("image");
        imageImpl = (ImageImpl) XMLUtil.getBean("os");
        image.setImageImpl(imageImpl);
        image.parseFile("小龙女");
    }
}
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十二、测试结果

3 总结

从举例容易看出，客户端面向抽象编程，每个维度都有一个高级抽象类，每个维度的具体选项继承自该高级抽象类。举例中我们通过 xml 配置文件配置各个维度的选择，选择什么类型的图片？选择什么操作系统？实现了不同维度的的解耦。

桥接模式十设计 Java 虚拟机和实现 JDBC 等驱动程序的核心模式之一，应用较为广泛。在软件开发中如果一个类或一个系统有多个变化维度都可以尝试使用桥接模式对其进行设计。桥接模式为多维度变化的系统提供了一套完整的解决方案，并且降低了系统的复杂度。

3.1 桥接模式优点

分离抽象接口及其实现部分。桥接模式使用“对象间的关联关系”解耦了抽象和实现之间固有的绑定关系，使得抽象和实现可以沿着各自的维度来变化。所谓的抽象何实现沿着各自维度的变化，也就是说抽象和实现不在同一个继承层次结构中，而是“子类化”它们，使它们各自具有自己的子类，以便任意组合子类，从而获得多维度组合对象。
在很多情况下，桥接模式可以取代多层继承方案，多层继承方案违背了单一职责原则，复用性较差，并且类的个数非常多，桥接模式是比多层继承方案更好的解决方法，它极大地减少了子类的个数。
桥接模式提高了系统的可扩展性，在两个变化维度中任意扩展一个维度都不需要修改原有系统，符合开闭原则。