设计模式-备忘录-C++

一、引言

备忘录模式（Memento Pattern）是一种行为型设计模式，它允许在不暴露对象内部状态的情况下保存和恢复对象的状态。这种模式通过备忘录对象来保存对象的内部状态，实现了对象状态的快照功能，常用于实现撤销操作。

二、使用场景

1. 实现撤销/重做功能：在需要提供撤销和重做功能的应用程序中，如文本编辑器、绘图程序等，备忘录模式能够轻松实现这一需求。

2. 状态记录与恢复：对于需要监控状态变化并能够恢复到先前状态的场景设计，备忘录模式提供了一种简便的方案。

3. 数据较大时的快照：对于状态较多或复杂的对象，可以通过备忘录模式利用其快照功能方便地保存之前状态，方便后期检索和恢复。

4. 构建时间和空间复杂度要求高的场景：可以通过备忘录进行内存优化，避免不必要的重复创建，同时合理保留对象的内部状态。

三、模式分类

• 单备忘录：一个状态对应一个备忘录，备忘录存储的通常是某个对象的当前状态。
• 多备忘录：为不同的状态创建多个备忘录，例如维护多个历史版本的快照。

四、优缺点

优点

• 封装性：对象的内部状态被封装到备忘录中，调用者无法直接访问对象的内部数据。
• 提醒撤销时巨大的灵活性：用户可以轻松撤销到任意先前状态，而不需要将状态保留在对象自身。
• 简化原始对象：使得原始对象无需为实现撤销的操作而承担多余的复杂性。

缺点

• 内存消耗：创建备忘录可能会消耗很多内存，特别是对于状态频繁变化的对象来说，一旦创建大量的备忘录会占用过多资源。
• 实现复杂性：管理备忘录的生命周期可能使得代码复杂，尤其是在涉及多个对象及备忘录时，可能需要额外的管理逻辑。
• 不支持时特复杂状态：如果需要深度对备忘录模式的支持，可能会需要借助额外的机制进行状态的监控和更改。

五、代码示例

以下是使用备忘录模式的C++实现示例。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <memory>

// 备忘录类
class Memento {
private:
    std::string state; // 备忘录内部状态

public:
    explicit Memento(const std::string& state) : state(state) {} // 贮存状态的构造函数

    std::string getState() const {
        return state; // 获取状态
    }
};

// 原发器类
class Originator {
private:
    std::string state; // 当前状态

public:
    void setState(const std::string& state) {
        this->state = state; // 设置当前状态
    }

    std::string getState() const {
        return state; // 获取当前状态
    }

    // 创建备忘录
    std::shared_ptr<Memento> saveToMemento() {
        return std::make_shared<Memento>(this->state); // 保存当前状态
    }

    // 从备忘录恢复状态
    void restoreFromMemento(std::shared_ptr<Memento> memento) {
        state = memento->getState(); // 复原状态
    }
};

// 管理员类
class Caretaker {
private:
    std::vector<std::shared_ptr<Memento>> mementoList; // 备忘录容器

public:
    void addMemento(std::shared_ptr<Memento> memento) {
        mementoList.push_back(memento);
    }

    std::shared_ptr<Memento> getMemento(int index) const {
        if (index < 0 || index >= static_cast<int>(mementoList.size())) {
            throw std::out_of_range("Index out of range"); // 检查索引范围
        }
        return mementoList.at(index); // 获取指定备忘录
    }
};

int main() {
    Originator originator; // 创建原发器
    Caretaker caretaker; // 创建管理员

    // 设置状态并保存备忘录
    originator.setState("State 1");
    caretaker.addMemento(originator.saveToMemento());

    originator.setState("State 2");
    caretaker.addMemento(originator.saveToMemento());

    originator.setState("State 3");
    caretaker.addMemento(originator.saveToMemento());

    // 还原状态
    originator.restoreFromMemento(caretaker.getMemento(1)); // 还原为 State 2
    std::cout << "Restored to: " << originator.getState() << std::endl; // 输出当前状态

    return 0;
}

代码解析

1. Memento：备忘录类，包含记录状态的属性和获取状态的方法。

2. Originator：原发器类，负责设置和获取当前状态，支持保存状态到备忘录和从备忘录恢复状态。

3. Caretaker：管理类，用于持有备忘录列表并负责保存和恢复备忘录。

4. main()：在主函数中，首先创建原发器和管理员对象，设置状态并生成备忘录，然后在需要时通过管理员获取备忘录，并使用原发器进行恢复。控制台输出恢复的状态。

六、模式总结

备忘录模式是管理对象状态的一种优雅方式，使得对象能够在不突破封装性的情况下进行状态恢复以及记录，常用于实现日志和撤销功能。尽管它有较高的内存消耗与管理复杂性等问题，但在合适的情况下，备忘录模式能够显著提高系统的灵活性、减少耦合，提供便捷的状态管理。理解和合理运用备忘录模式是软件设计中的一项重要技能，这有助于构建可维护和可扩展的应用系统。