备忘录模式

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什么是备忘录模式

  在不违背封装原则的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便之后恢复对象为先前的状态。
  在我看来，这个模式的定义主要表达了两部分内容。一部分是，存储副本以便后期恢复。这一部分很好理解。另一部分是，要在不违背封装原则的前提下，进行对象的备份和恢复。

为什么要用备忘录模式

  接下来，我就结合一个例子来解释一下，特别带你搞清楚这两个问题：

• 为什么存储和恢复副本会违背封装原则？
• 备忘录模式是如何做到不违背封装原则的？

  假设有这样一道面试题，希望你编写一个小程序，可以接收命令行的输入。用户输入文本时，程序将其追加存储在内存文本中；用户输入“:list”，程序在命令行中输出内存文本的内容；用户输入“:undo”，程序会撤销上一次输入的文本，也就是从内存文本中将上次输入的文本删除掉。 我举了个小例子来解释一下这个需求，如下所示：

>hello
>:list
hello
>world
>:list
helloworld
>:undo
>:list
hello

  怎么来编程实现呢？你可以打开 IDE 自己先试着编写一下，然后再看我下面的讲解。整体上来讲，这个小程序实现起来并不复杂。我写了一种实现思路，如下所示：

public class InputText {private StringBuilder text = new StringBuilder();public String getText() {return text.toString();}public void append(String input) {text.append(input);}public void setText(String text) {this.text.replace(0, this.text.length(), text);}
}public class SnapshotHolder {private Stack<InputText> snapshots = new Stack<>();public InputText popSnapshot() {return snapshots.pop();}public void pushSnapshot(InputText inputText) {InputText deepClonedInputText = new InputText();deepClonedInputText.setText(inputText.getText());snapshots.push(deepClonedInputText);}
}public class ApplicationMain {public static void main(String[] args) {InputText inputText = new InputText();SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (scanner.hasNext()) {String input = scanner.next();if (input.equals(":list")) {System.out.println(inputText.getText());} else if (input.equals(":undo")) {InputText snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();inputText.setText(snapshot.getText());} else {snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText);inputText.append(input);}}}
}

  实际上，备忘录模式的实现很灵活，也没有很固定的实现方式，在不同的业务需求、不同编程语言下，代码实现可能都不大一样。上面的代码基本上已经实现了最基本的备忘录的功能。但是，如果我们深究一下的话，还有一些问题要解决，那就是前面定义中提到的第二点：要在不违背封装原则的前提下，进行对象的备份和恢复。而上面的代码并不满足这一点，主要体现在下面两方面：

• 第一，为了能用快照恢复 InputText 对象，我们在 InputText 类中定义了 setText() 函数，但这个函数有可能会被其他业务使用，所以，暴露不应该暴露的函数违背了封装原则；
• 第二，快照本身是不可变的，理论上讲，不应该包含任何 set() 等修改内部状态的函数，但在上面的代码实现中，“快照“这个业务模型复用了 InputText 类的定义，而 InputText 类本身有一系列修改内部状态的函数，所以，用 InputText 类来表示快照违背了封装原则。

如何使用备忘录模式

  针对以上问题，我们对代码做两点修改。其一，定义一个独立的类（Snapshot 类）来表示快照，而不是复用 InputText 类。这个类只暴露 get() 方法，没有 set() 等任何修改内部状态的方法。其二，在 InputText 类中，我们把 setText() 方法重命名为 restoreSnapshot() 方法，用意更加明确，只用来恢复对象。
  按照这个思路，我们对代码进行重构。重构之后的代码如下所示：

public class InputText {private StringBuilder text = new StringBuilder();public String getText() {return text.toString();}public void append(String input) {text.append(input);}public Snapshot createSnapshot() {return new Snapshot(text.toString());}public void restoreSnapshot(Snapshot snapshot) {this.text.replace(0, this.text.length(), snapshot.getText());}
}public class Snapshot {private String text;public Snapshot(String text) {this.text = text;}public String getText() {return this.text;}
}public class SnapshotHolder {private Stack<Snapshot> snapshots = new Stack<>();public Snapshot popSnapshot() {return snapshots.pop();}public void pushSnapshot(Snapshot snapshot) {snapshots.push(snapshot);}
}public class ApplicationMain {public static void main(String[] args) {InputText inputText = new InputText();SnapshotHolder snapshotsHolder = new SnapshotHolder();Scanner scanner = new Scanner(System.in);while (scanner.hasNext()) {String input = scanner.next();if (input.equals(":list")) {System.out.println(inputText.toString());} else if (input.equals(":undo")) {Snapshot snapshot = snapshotsHolder.popSnapshot();inputText.restoreSnapshot(snapshot);} else {snapshotsHolder.pushSnapshot(inputText.createSnapshot());inputText.append(input);}}}
}

总结

  前面我们只是简单介绍了备忘录模式的原理和经典实现，现在我们再继续深挖一下。如果要备份的对象数据比较大，备份频率又比较高，那快照占用的内存会比较大，备份和恢复的耗时会比较长。这个问题该如何解决呢？
  不同的应用场景下有不同的解决方法。比如，我们前面举的那个例子，应用场景是利用备忘录来实现撤销操作，而且仅仅支持顺序撤销，也就是说，每次操作只能撤销上一次的输入，不能跳过上次输入撤销之前的输入。在具有这样特点的应用场景下，为了节省内存，我们不需要在快照中存储完整的文本，只需要记录少许信息，比如在获取快照当下的文本长度，用这个值结合 InputText 类对象存储的文本来做撤销操作。
  我们再举一个例子。假设每当有数据改动，我们都需要生成一个备份，以备之后恢复。如果需要备份的数据很大，这样高频率的备份，不管是对存储（内存或者硬盘）的消耗，还是对时间的消耗，都可能是无法接受的。想要解决这个问题，我们一般会采用“低频率全量备份”和“高频率增量备份”相结合的方法。
  全量备份就不用讲了，它跟我们上面的例子类似，就是把所有的数据“拍个快照”保存下来。所谓“增量备份”，指的是记录每次操作或数据变动。
  当我们需要恢复到某一时间点的备份的时候，如果这一时间点有做全量备份，我们直接拿来恢复就可以了。如果这一时间点没有对应的全量备份，我们就先找到最近的一次全量备份，然后用它来恢复，之后执行此次全量备份跟这一时间点之间的所有增量备份，也就是对应的操作或者数据变动。这样就能减少全量备份的数量和频率，减少对时间、内存的消耗。