一起学习设计模式--08.桥接模式

模式目标

处理多维度变化

前言

现实生活中我们经常会遇到两种类型的笔，他们分别是毛笔和蜡笔。假设需要使用大、中、小3种型号的画笔来绘制12种不同的颜色。如果使用蜡笔，需要3 X 12 = 36 支。但是如果是毛笔的话，就不一样了，我们只需要3种型号的毛笔，和12盒颜料即可，涉及的对象个数仅为 3 + 12 = 15，要远远小于36，但是却可以实现与36种蜡笔一样的效果。如果要增加一种新型号的画笔，并且也需要12种颜色，相应的蜡笔需要增加12支，但是毛笔只需要增加一支即可。通过分析得知：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，都会对另一种维度产生影响。但在毛笔中，颜色和型号进行了分离，增加新的颜色或型号对另一方都没有任何影响。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，而毛笔很好的将二者解耦，使用起来非常灵活，扩展也更为方便。在软件开发中，也提供了一种设计模式来处理与画笔类似的具有多变化维度的情况，即接下来要学习的桥接模式。

一、跨平台图像浏览系统

1.需求

A 公司打算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。该系统首先将各种格式的文件解析成像素矩阵（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通过调用不同的绘制函数来绘制像素矩阵。该系统需具有较好的扩展性以支持新的文件格式和操作系统。

2.初始设计

A 公司开发人员针对上述要求，提出了一个初始设计方案，其基本结构如图：

初始设计方案中，使用了多层继承结构。但对现在的设计方案进行分析，发现存在以下两个主要问题：

1. 由于采用了多层继承结构，导致系统中的类的个数急剧增加。在该设计方案中，具体层类的个数 = 所支持的图像文件格式数 X 所支持的操作系统数。上图中类的个数已经达到了17个。
2. 系统扩展麻烦。由于每一个具体类既包含图像文件格式信息，又包含了操作系统信息，因此无论是增加新的图像文件格式还是增加新的操作系统，都需要增加大量的具体类。

3.多维度变化

通过分析可以得知，该系统存在两个独立变化的维度：图像文件格式和操作系统。如图：

如何将各种不同类型的图像文件解析为像素矩阵与图像文件格式本身相关，而如何在屏幕上显示像素矩阵则仅与操作系统相关。正因为初始设计所示的结构将这两种职责集中在一个类中，导致系统扩展麻烦。从类的设计角度分析，具体类 BMPWindowsImage、BMPLinuxImage 和 BMPUnixImage 等违反了单一职责原则，因为有不止一个引起它们变化的原因，它们将图像文件解析和像素矩阵显示这两种完全不同的职责耦合在一起，任意一个职责发生改变都需要修改它们，因此系统扩展困难。

二、桥接模式的概述

1.定义

桥接模式是一种很实用的结构型设计模式。如果软件系统中某个类存在两个独立变化的维度，通过该模式可以将这两个维度分离出来，使两者可以独立扩展，让系统更加符合单一职责原则。与多层继承方案不同，它将两个独立变化的维度设计为两个独立的继承等级结构，并且在抽象层建立一个抽象关联，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。
桥接模式采用抽象关联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，同时有效控制了系统中类的个数。桥接模式的定义如下：

桥接模式（Bridge Pattern）：将抽象部分与其实现部分分离，使它们都可以独立的变化。它是一种对象结构型模式，又称接口（Interface）模式。

2.结构

桥接模式的结构与其名称一样，存在一条连接两个独立继承等级结构的桥。桥接模式的结构如图：

上图包含4个角色：

1. Abstraction（抽象类）：用于定义抽象类的接口，它一般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。抽象类与 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。
2. RefinedAbstraction（扩充抽象类）：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。扩充抽象类实现了在 Abstraction 中声明的抽象业务方法，在 RefinedAbstraction 中可以调用在 Implementor 中定义的业务方法。
3. Implementor（实现类接口）：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 接口仅提供基本操作，而 Abstraction 定义的接口可能会做更多、更复杂的操作。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 Abstraction 中不仅拥有自己的方法，还可以调用到 Implementor 中定义的方法，使用关联关系来代替继承。
4. ConcreteImplementor（具体实现类）：具体实现 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 对象将替换其父类对象，提供给抽象类具体的业务操作方法。

3.使用

在使用桥接模式的时候，首先应该识别出一个类所具有的两个独立变化的维度，将它们设计为两个独立的继承等级结构，为两个维度都提供抽象层，并建立抽象耦合。通常情况下，将具有两个独立变化维度的类的一些普通业务方法和与之关系最密切的维度设计为抽象类层次结构（抽象部分），而将另一个维度设计为实现类层次结构（实现部分）。

例如，对于毛笔而言，由于型号是其固有的维度，因此可以设计一个抽象的毛笔类，在该类中声明并部分实现毛笔的业务方法，而将各种型号的毛笔作为其子类。颜色是毛笔的另一个维度，由于它与毛笔之间存在一种”设置“的关系，因此可以提供一个抽象的颜色接口，而将具体的颜色作为实现该接口的子类。在此，型号可以认为是毛笔的抽象部分，而颜色是毛笔的实现部分。结构示意图如下：

三、完整解决方案

1.重构设计

为了减少所需生成的子类数目，实现将操作系统和图像文件格式两个维度分离，使它们可以独立改变，A公司开发人员使用桥接模式来重构跨平台图像浏览系统的设计。基本结构如下：

2.代码实现

Image 充当抽象类，其子类 JPGImage、PBGImage、BMPImage、GIFImage充当扩充抽象类；ImageImp 充当实现类接口，其子类 WIndowsImp、UnixImp、LinuxImp 充当具体实现类。完整代码如下：

    /// <summary>
    /// 像素矩阵类：辅助类
    /// 各种格式的文件最终都被转化成像素矩阵，不同的操作系统提供不同的方式显示像素矩阵
    /// </summary>
    public class Matrix
    {
        //此处代码省略
    }    

    /// <summary>
    /// 抽象图像类：抽象类
    /// </summary>
    public abstract class Image
    {
        protected IImageImp imageImp;

        public void SetImageImp(IImageImp imp)
        {
            imageImp = imp;
        }

        public abstract void ParseFile(string fileName);
    }

    /// <summary>
    /// JPG 格式图像：扩充抽象类
    /// </summary>
    public class JPGImage : Image
    {
        public override void ParseFile(string fileName)
        {
            //模拟器解析 JPG 文件并获得一份像素矩阵对象 m
            Matrix m = new Matrix();
            imageImp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine(fileName + ",格式为JPG");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// PNG 格式图像：扩充抽象类
    /// </summary>
    public class PNGImage : Image
    {
        public override void ParseFile(string fileName)
        {
            //模拟器解析 PNG 文件并获得一份像素矩阵对象 m
            Matrix m = new Matrix();
            imageImp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine(fileName + ",格式为PNG");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// BMP 格式图像：扩充抽象类
    /// </summary>
    public class BMPImage : Image
    {
        public override void ParseFile(string fileName)
        {
            //模拟器解析 BMP 文件并获得一份像素矩阵对象 m
            Matrix m = new Matrix();
            imageImp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine(fileName + ",格式为BMP");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// GIF 格式图像：扩充抽象类
    /// </summary>
    public class GIFImage : Image
    {
        public override void ParseFile(string fileName)
        {
            //模拟器解析 GIF 文件并获得一份像素矩阵对象 m
            Matrix m = new Matrix();
            imageImp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine(fileName + ",格式为 GIF");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// 抽象操作系统实现类：实现类接口
    /// </summary>
    public interface IImageImp
    {
        /// <summary>
        /// 显示像素矩阵
        /// </summary>
        void DoPaint(Matrix matrix);
    }

    /// <summary>
    /// Windows操作系统实现类：具体实现类
    /// </summary>
    public class WindowsImp : IImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix matrix)
        {
            //调用Windows系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.WriteLine("在 Windows 操作系统中显示图像");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// Linux操作系统实现类：具体实现类
    /// </summary>
    public class LinuxImp : IImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix matrix)
        {
            //调用Linux系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.WriteLine("在 Linux 操作系统中显示图像");
        }
    }
    
    /// <summary>
    /// Unix操作系统实现类：具体实现类
    /// </summary>
    public class UnixImp : IImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix matrix)
        {
            //调用Unix系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.WriteLine("在 Unix 操作系统中显示图像");
        }
    }

添加配置文件，将具体扩充抽象类和具体实现类类名都配置在配置文件中，再通过反射生成对象。

<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <add key="RefinedAbstraction" value="LXP.DesignPattern.Bridge.abstractions.JPGImage"/>
    <add key="CpncreteImplementor" value="LXP.DesignPattern.Bridge.imps.WindowsImp"/>
  </appSettings>
</configuration>

配置文件帮助类

    public class AppConfigHelper
    {
        public static object GetInstance(string key)
        {
            try
            {
                var className = ConfigurationManager.AppSettings[key];
                var type = Type.GetType(className);

                return type == null ? null : Activator.CreateInstance(type);
            }
            catch (Exception ex)
            {
                Console.WriteLine(ex.Message);
            }
            return null;
        }
    }

客户端测试代码：

    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            var image = (Image)AppConfigHelper.GetInstance("RefinedAbstraction");
            var imp = (IImageImp)AppConfigHelper.GetInstance("CpncreteImplementor");
            image.SetImageImp(imp);
            image.ParseFile("小龙女");
        }
    }

编译并运行，输出结果如下：

如果以后要更换文件格式或更换操作系统，只需要修改配置文件即可。在实际使用时，可以通过分析图像文件格式扩展名来确定具体的文件格式，在程序运行时获取操作系统信息来确定操作系统类型，无需使用配置文件。当增加新的图像文件格式或操作系统时，原有系统无需做任何修改，只需要增加一个对应的扩充抽象类或具体的实现类即可，系统具有较好的可扩展性，完全符合开闭原则。

四、桥接模式总结

在软件开发中，如果一个类或一个系统有多个变化维度时，都可以尝试使用桥接模式对其进行设计。

1.主要优点

1. 分离抽象接口和及其实现部分。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。
2. 很多情况下，桥接模式可以取代多层集成方案。多层继承方案违背了单一职责原则，复用性较差，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，它极大的减少了子类的个数。
3. 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。

2.主要缺点

1. 桥接模式的使用会增加系统的理解与设计难度。由于关联关系建立在抽象层，要求开发者一开始就针对抽象层进行设计与编程。
2. 桥接模式要求正确识别出系统中两个独立变化的维度，因此使用范围具有一定的局限性，如何正确识别两个独立维度也需要一定的经验积累。

3.适用场景

1. 如果一个系统需要在抽象类和具体类之间增加更多的灵活性，避免在两个层次之间建立静态的继承关系，通过桥接模式可以使它们在抽象层建立一个关联关系
2. 抽象部分和实现部分可以以继承的方式独立扩展而互不影响，在程序运行时可以动态的将一个抽象类子类的对象和一个实现类子类的对象进行组合，即系统需要对抽象类角色和实现类角色进行动态耦合。
3. 一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，且这两个（或多个）维度都需要独立进行扩展。
4. 对于那些不希望使用继承或因为多层继承导致系统类的个数急剧增加的系统，桥接模式尤为适用。

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示例代码：

https://github.com/crazyliuxp/DesignPattern.Simples.CSharp

参考资料：