桥接模式

发表于 | 更新于 | 分类于
本文字数： 11k | 阅读时长 ≈ 10 分钟

思考并回答以下问题：

  • 桥接模式为什么是结构型模式？
  • 某个类存在两个独立变化的维度，用毛笔和蜡笔怎么举例？
  • 型号可认为是毛笔的抽象部分，而颜色是毛笔的实现部分。怎么理解？
  • 任意组合子类，从而获得多维度组合对象。怎么理解？
  • 桥接模式和适配器模式用于设计的不同阶段，桥接模式用于系统的初步设计，对于存在两个独立变化维度的类可以将其分为抽象化和实现化两个角色，使它们可以分别进行变化；而在初步设计完成之后，当发现系统与已有类无法协同工作时，可以采用适配器模式。但有时在设计初期也需要考虑适配器模式，特别是那些涉及大量第三方应用接口的情况。怎么理解？
  • 用抽象关联来取代传统的多层继承，将类之间的静态继承关系转换为动态的对象组合关系。原来的多层继承是怎么写的？存在什么问题？怎么用桥接模式取代？
  • 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。怎么做到？
  • 可以针对两个维度的抽象层编程，在程序运行时再动态地确定两个维度的子类，动态地组合对象。怎么理解？

本章导学

桥接模式是一种很实用的结构型设计模式，如果系统中某个类存在两个独立变化的维度，通过桥接模式可以将这两个维度分离出来，使两者可以独立扩展。桥接模式用一种巧妙的方式处理多层继承存在的问题，用抽象关联来取代传统的多层继承，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。

本章将学习桥接模式的定义与结构，通过实例来加深对桥接模式的理解，并学习如何将其应用于实际项目的开发，还将学习如何实现桥接模式和适配器模式的联用。

本章知识点

  • 桥接模式的定义
  • 桥接模式的结构
  • 桥接模式的实现
  • 桥接模式的应用
  • 桥接模式与适配器模式联用
  • 桥接模式的优缺点
  • 桥接模式的适用环境

桥接模式概述

毛笔和蜡笔是两种很常见的文具，它们都归属于画笔。假如需要大、中、小3种型号的画笔，能够分别绘制12种不同的颜色，如果使用蜡笔，需要准备3 ×12 = 36支，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种颜色的调色板即可，涉及的对象个数仅为3 + 12 = 15，远远小于36，却能实现与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，对应的蜡笔需增加12支，而毛笔只需增加一支。图1所示为毛笔与蜡笔示意图。

图1 毛笔与蜡笔示意图

通过分析不难得知：在蜡笔中，颜色和型号两个不同的变化维度（即两个不同的变化原因，如图2所示）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，使用起来非常灵活，扩展也更为方便。在软件开发中，也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，它就是桥接模式。

图2 画笔中存在的两个独立变化维度示意图

在桥接模式中，将两个独立变化的维度（例如画笔的型号与颜色）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。

桥接模式的定义如下：

1
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的方式处理多层继承存在的问题，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，使得系统更加灵话，并易于扩展，同时有效控制了系统中类的个数。

桥接模式的结构与实现

桥接模式的结构

桥接模式的结构如图3所示。

图3 桥接模式结构图

由图3可知，桥接模式包含以下4个角色：

(1)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，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）：它扩充由Abstraction定义的接口，通常情况下不再是抽象类而是具体类，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）：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，而将具体实现交给其子类。通过关联关系，在Abstraction中不仅可以拥有自己的方法，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。

(4)ConcreteImplementor（具体实现类）：它具体实现了Implementor接口，在不同的Concretelmplementor中提供基本操作的不同实现，在程序运行时，Concretelmplementor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。

桥接模式的实现

桥接模式是一个非常实用的设计模式，在桥接模式中体现了很多面向对象设计原则的思想，包括单一职责原则、开闭原则、合成复用原则、里氏代换原则、依赖倒转原则等。熟悉桥接模式将有助于用户深入理解这些设计原则，也有助于形成正确的设计思想和培养良好的设计风格。

在使用桥接模式时，用户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，结构示意图如图4所示。

图4 毛笔结构示意图

在图4中，如果需要增加一种新型号的毛笔，只需扩展左侧的“抽象部分”，增加一个新的扩充抽象类；如果需要增加一种新的颜色，只需扩展右侧的“实现部分”，增加一个新的具体实现类。扩展非常方便，无须修改已有代码，且不会导致类的数目增长过快。

在具体编码实现时，由于在桥接模式中存在两个独立变化的维度，为了降低两者之间的耦合度，首先需要针对两个不同的维度提取抽象类和实现类接口，并建立一个抽象关联关系。对于“实现部分”维度，典型的实现类接口代码如下：

1
2
3
4
interface Implementor
{
    void OperationImpl();
}

在实现Implementor接口的子类ConcreteImplementor中实现了在该接口中声明的方法，用于定义与该维度相对应的一些具体方法，代码如下：

1
2
3
4
5
6
7
class ConcreteImplementor
{
    public void OperationImpl()
    {
        // 具体业务方法的实现
    }
}

对于另一“抽象部分”维度而言，其典型的抽象类代码如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
abstract class Abstraction
{
    protected Implementor impl; // 定义实现类接口对象

    public void SetImpl(Implementor impl)
    {
        this.impl = impl;
    }

    public abstract void Operation(); // 声明抽象业务方法
}

在抽象类Abstraction中定义了一个实现类接口类型的成员对象impl，再通过Setter方法或者构造方法以注入的方式给该对象赋值，一般将该对象的可见性定义为protected，以便在其子类中访问Implementor的方法，其子类一般称为扩充抽象类或细化抽象类（RefinedAbstraction），典型的RefinedAbstraction类代码如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
class RefinedAbstraction : Abstraction
{
    public override void Operation()
    {
        // 业务代码
        impl.OperationImpl(); // 调用实现类的方法
        // 业务代码
    }
}

对于客户端而言，可以针对两个维度的抽象层编程，在程序运行时再动态地确定两个维度的子类，动态地组合对象，将两个独立变化的维度完全解耦，以便能够灵活地扩充任一维度而对另一维度不造成任何影响。

桥接模式的应用实例

下面通过一个应用实例来进一步学习和理解桥接模式。

1.实例说明

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。另外，系统需具有较好的扩展性，以便在将来支持新的文件格式和操作系统。试使用桥接模式设计该跨平台图像浏览系统。

2.实例类图

通过分析，本实例的结构如图5所示。

图5 跨平台图像浏览系统结构图

在图5中，Image充当抽象类，其子类JPGImage、PNGImage、BMPImage和GIFImage充当扩充抽象类；Imagelmp充当实现类接口，其子类WindowsImp、LinuxImp和UnixImp充当具体实现类。

3.实例代码

(1)Matrix：像素矩阵类，它是一个辅助类，各种格式的图像文件最终都会被转化为像素矩阵，不同的操作系统提供不同的方式显示像素矩阵。

1
2
3
4
5
6
7
namespace BridgeSample
{
    class Matrix
    {
        // 代码省略
    }
}

(2)ImageImp：抽象操作系统实现类，充当实现类接口。

1
2
3
4
5
6
7
namespace BridgeSample
{
    interface ImageImp
    {
        void DoPaint(Matrix m);  // 显示像素矩阵m
    }
}

(3)WindowsImp：Windows操作系统实现类，充当具体实现类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
using System;

namespace BridgeSample
{
    class WindowsImp : ImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix m) 
        {
            // 调用Windows系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.Write("在Windows操作系统中显示图像：");
        }
    }
}

(4)LinuxImp：Linux操作系统实现类，充当具体实现类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
using System;

namespace BridgeSample
{
    class LinuxImp : ImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix m)
        {
            // 调用Linux系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.Write("在Linux操作系统中显示图像：");
        }
    }
}

(5)UnixImp：UNIX操作系统实现类，充当具体实现类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
using System;

namespace BridgeSample
{
    class UnixImp : ImageImp
    {
        public void DoPaint(Matrix m)
        {
            // 调用Unix系统的绘制函数绘制像素矩阵
            Console.Write("在Unix操作系统中显示图像：");
        }
    }
}

(6)Image：抽象图像类，充当抽象类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
namespace BridgeSample
{
    abstract class Image
    {
        protected ImageImp imp;

        // 注入实现类接口对象
        public void SetImageImp(ImageImp imp)
        {
            this.imp = imp;
        }

        public abstract void ParseFile(string fileName);
    }
}

(7)JPGImage：JPG格式图像类，充当扩充抽象类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
using System;

namespace BridgeSample
{
    class JPGImage : Image
    {
        public override 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(); 
            imp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine("{0}，格式为JPG。",fileName);
        }
    }
}

(8)PNGImage：PNG格式图像类，充当扩充抽象类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
using System;

namespace BridgeSample
{
    class PNGImage : Image
    {
        public override 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(); 
            imp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine("{0}，格式为PNG。", fileName);
        }
    }
}

(9)BMPImage：BMP格式图像类，充当扩充抽象类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
using System;

namespace BridgeSample
{
    class BMPImage : Image
    {
        public override 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(); 
            imp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine("{0}，格式为BMP。", fileName);
        }
    }
}

(10)GIFImage：GIF格式图像类，充当扩充抽象类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
using System;

namespace BridgeSample
{
    class GIFImage : Image
    {
        public override 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(); 
            imp.DoPaint(m);
            Console.WriteLine("{0}，格式为GIF。", fileName);
        }
    }
}

(11)配置文件App.config：在配置文件中存储了具体扩充抽象类和具体实现类类名。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <!--RefinedAbstraction-->
    <add key="image" value="BridgeSample.JPGImage"/>
    <!--ConcreteImplementor-->
    <add key="os" value="BridgeSample.WindowsImp"/>
  </appSettings>
</configuration>

(12)Program：客户端测试类。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
using System;
using System.Configuration;
using System.Reflection;

namespace BridgeSample
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {
            Image image;
            ImageImp imp;

            // 读取配置文件
            string imageType = ConfigurationManager.AppSettings["image"];
            string osType = ConfigurationManager.AppSettings["os"];
            
            // 反射生成对象
            image = (Image)Assembly.Load("BridgeSample").CreateInstance(imageType);
            imp = (ImageImp)Assembly.Load("BridgeSample").CreateInstance(osType);
            
            image.SetImageImp(imp);
            image.ParseFile("中国地图");
            Console.Read();
        }
    }
}

4.结果及分析

编译并运行程序，输出结果如下：

1
在Windows操作系统中显示图像：中国地图，格式为JPG。

如果需要更换图像文件格式或者更换操作系统，只需修改配置文件即可。例如将配置文件App.config改为：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
<?xml version="1.0" encoding="utf-8" ?>
<configuration>
  <appSettings>
    <!--RefinedAbstraction-->
    <add key="image" value="BridgeSample.BMPImage"/>
    <!--ConcreteImplementor-->
    <add key="os" value="BridgeSample.LinuxImp"/>
  </appSettings>
</configuration>

再次运行程序，输出结果为:

1
在Linux操作系统中显示图像：中国地图，格式为BMP。

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，无须使用配置文件。当增加新的图像文件格式或者操作系统时，对于原有系统源代码无须做任何修改，只需增加一个对应的扩充抽象类或具体实现类即可，系统具有较好的可扩展性，完全符合开闭原则。

桥接模式与适配器模式联用

在软件开发中，适配器模式通常可以与桥接模式联合使用。适配器模式可以解决两个已有接口间不兼容的问题，在这种情况下被适配的类往往是一个黑盒子，有时不想也不能改变这个被适配的类，也不能控制其扩展。适配器模式通常用于现有系统与第三方产品功能的集成，采用增加适配器的方式将第三方类集成到系统中。桥接模式则不同，用户可以通过接口继承或类继承的方式对系统进行扩展。

桥接模式和适配器模式用于设计的不同阶段，桥接模式用于系统的初步设计，对于存在两个独立变化维度的类可以将其分为抽象化和实现化两个角色，使它们可以分别进行变化；而在初步设计完成之后，当发现系统与已有类无法协同工作时，可以采用适配器模式。但有时在设计初期也需要考虑适配器模式，特别是那些涉及大量第三方应用接口的情况。

下面通过一个实例来说明适配器模式和桥接模式的联合使用：

在某系统的报表处理模块中，需要将报表显示和数据输出分开，系统可以有多种报表显示方式也可以有多种数据输出方式，例如可以将数据输出为文本文件，也可以输出为Excel文件，如果需要输出为Excel文件，则需要调用与Excel相关的API，而这个API是现有系统所不具备的，该API由厂商提供。因此，可以同时使用适配器模式和桥接模式来设计该模块，如图6所示。

图6 桥接模式与适配器模式联用示意图

桥接模式的优缺点与适用环境

桥接模式的应用很广泛，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。

桥接模式的优点

桥接模式的主要优点如下：

  • (1)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。所谓抽象和实现沿着各自维度的变化，也就是说抽象和实现不再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。
  • (2)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，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。
  • (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，不需要修改原有系统，符合开闭原则。

桥接模式的缺点

桥接模式的主要缺点如下：

  • (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，因此其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。

桥接模式的适用环境

在以下情况下可以考虑使用桥接模式：

  • (1)如果一个系统需要在抽象化和具体化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地将一个抽象化子类的对象和一个实现化子类的对象进行组合，即系统需要对抽象化角色和实现化角色进行动态耦合。
  • (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）维度都需要独立地进行扩展。
  • (4)对于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。

本章小结

(1)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。

(2)桥接模式包含抽象类、扩充抽象类、实现类接口和具体实现类4个角色。其中，抽象类定义了一个实现类接口类型的对象并维护该对象；扩充抽象类扩充由抽象类定义的接口，实现了在抽象类中声明的抽象业务方法；实现类接口声明了一些基本操作，而将具体实现交给其子类完成；具体实现类具体实现了实现类接口，在不同的具体实现类中提供基本操作的不同实现。

(3)桥接模式的主要优点在于可以分离抽象接口及其实现部分，它是比多层继承方案更好的解决方法，极大地减少了子类的个数。此外，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。其主要缺点在于会增加系统的理解与设计难度，且正确识别出系统中两个独立变化的维度并不是一件容易的事情。

(4)桥接模式适用的环境：需要在抽象化和具体化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；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；一个类存在两个（或多个）独立变化的维度，且这两个（或多个）维度都需要独立地进行扩展；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。

(5)在使用桥接模式进行系统设计时，如果需要重用第三方应用接口，可与适配器模式一起联用，既可以保证系统的扩展性，又可以将第三方类集成到系统中。

0%