【Go实现】实践GoF的23种设计模式:备忘录模式

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元闰子 发表于 2023/11/26 08:21:02 2023/11/26
【摘要】 在不破坏封装的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外进行保存,以便在未来将对象恢复到原先保存的状态

上一篇:【Go实现】实践GoF的23种设计模式:命令模式

简单的分布式应用系统(示例代码工程):https://github.com/ruanrunxue/Practice-Design-Pattern–Go-Implementation

简介

相对于代理模式工厂模式等设计模式,备忘录模式(Memento)在我们日常开发中出镜率并不高,除了应用场景的限制之外,另一个原因,可能是备忘录模式 UML 结构的几个概念比较晦涩难懂,难以映射到代码实现中。比如 Originator(原发器)和 Caretaker(负责人),从字面上很难看出它们在模式中的职责。

但从定义来看,备忘录模式又是简单易懂的,GoF 对备忘录模式的定义如下:

Without violating encapsulation, capture and externalize an object’s internal state so that the object can be restored to this state later.

也即,在不破坏封装的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外进行保存,以便在未来将对象恢复到原先保存的状态

从定义上看,备忘录模式有几个关键点:封装保存恢复

对状态的封装,主要是为了未来状态修改或扩展时,不会引发霰弹式修改;保存和恢复则是备忘录模式的主要特点,能够对当前对象的状态进行保存,并能够在未来某一时刻恢复出来。

现在,在回过头来看备忘录模式的 3 个角色就比较好理解了:

  • Memento(备忘录):是对状态的封装,可以是 struct ,也可以是 interface
  • Originator(原发器):备忘录的创建者,备忘录里存储的就是 Originator 的状态。
  • Caretaker(负责人):负责对备忘录的保存和恢复,无须知道备忘录中的实现细节。

UML 结构

场景上下文

在前文 【Go实现】实践GoF的23种设计模式:命令模式 我们提到,在 简单的分布式应用系统(示例代码工程)中,db 模块用来存储服务注册信息和系统监控数据。其中,服务注册信息拆成了 profilesregions 两个表,在服务发现的业务逻辑中,通常需要同时操作两个表,为了避免两个表数据不一致的问题,db 模块需要提供事务功能:

事务的核心功能之一是,当其中某个语句执行失败时,之前已执行成功的语句能够回滚,前文我们已经介绍如何基于 命令模式 搭建事务框架,下面我们将重点介绍,如何基于备忘录模式实现失败回滚的功能。

代码实现

// demo/db/transaction.go
package db

// Command 执行数据库操作的命令接口,同时也是备忘录接口
// 关键点1:定义Memento接口,其中Exec方法相当于UML图中的SetState方法,调用后会将状态保存至Db中
type Command interface {
    Exec() error // Exec 执行insert、update、delete命令
    Undo() // Undo 回滚命令
    setDb(db Db) // SetDb 设置关联的数据库
}

// 关键点2:定义Originator,在本例子中,状态都是存储在Db对象中
type Db interface {...}

// Transaction Db事务实现,事务接口的调用顺序为begin -> exec -> exec > ... -> commit
// 关键点3:定义Caretaker,Transaction里实现了对语句的执行(Do)和回滚(Undo)操作
type Transaction struct {
    name string
    // 关键点4:在Caretaker(Transaction)中引用Originator(Db)对象,用于后续对其状态的保存和恢复
    db   Db
    // 注意,这里的cmds并非备忘录列表,真正的history在Commit方法中
    cmds []Command 
}
// Begin 开启一个事务
func (t *Transaction) Begin() {
    t.cmds = make([]Command, 0)
}
// Exec 在事务中执行命令,先缓存到cmds队列中,等commit时再执行
func (t *Transaction) Exec(cmd Command) error {
    if t.cmds == nil {
        return ErrTransactionNotBegin
    }
    cmd.setDb(t.db)
    t.cmds = append(t.cmds, cmd)
    return nil
}
// Commit 提交事务,执行队列中的命令,如果有命令失败,则回滚后返回错误
func (t *Transaction) Commit() error {
    // 关键点5:定义备忘录列表,用于保存某一时刻的系统状态
    history := &cmdHistory{history: make([]Command, 0, len(t.cmds))}
    for _, cmd := range t.cmds {
        // 关键点6:执行Do方法
        if err := cmd.Exec(); err != nil {
            // 关键点8:当Do方法执行失败时,则进行Undo操作,根据备忘录history中的状态进行回滚
            history.rollback()
            return err
        }
        // 关键点7:如果Do方法执行成功,则将状态(cmd)保存在备忘录history中
        history.add(cmd)
    }
    return nil
}
// cmdHistory 命令执行历史
type cmdHistory struct {
    history []Command
}
func (c *cmdHistory) add(cmd Command) {
    c.history = append(c.history, cmd)
}

func (c *cmdHistory) rollback() {
    for i := len(c.history) - 1; i >= 0; i-- {
        c.history[i].Undo()
    }
}

// InsertCmd 插入命令
// 关键点9: 定义具体的备忘录类,实现Memento接口
type InsertCmd struct {
    db         Db
    tableName  string
    primaryKey interface{}
    newRecord  interface{}
}

func (i *InsertCmd) Exec() error {
    return i.db.Insert(i.tableName, i.primaryKey, i.newRecord)
}
func (i *InsertCmd) Undo() {
    i.db.Delete(i.tableName, i.primaryKey)
}
func (i *InsertCmd) setDb(db Db) {
    i.db = db
}

// UpdateCmd 更新命令
type UpdateCmd struct {...}
// DeleteCmd 删除命令
type DeleteCmd struct {...}

客户端可以这么使用:

func client() {
    transaction := db.CreateTransaction("register" + profile.Id)
    transaction.Begin()
    rcmd := db.NewUpdateCmd(regionTable).WithPrimaryKey(profile.Region.Id).WithRecord(profile.Region)
    transaction.Exec(rcmd)
    pcmd := db.NewUpdateCmd(profileTable).WithPrimaryKey(profile.Id).WithRecord(profile.ToTableRecord())
    transaction.Exec(pcmd)
    if err := transaction.Commit(); err != nil {
        return ... 
    }
  return ...
}

这里并没有完全按照标准的备忘录模式 UML 进行实现,但本质是一样的,总结起来有以下几个关键点:

  1. 定义抽象备忘录 Memento 接口,这里为 Command 接口。Command 的实现是具体的数据库执行操作,并且存有对应的回滚操作,比如 InsertCmd 为“插入”操作,其对应的回滚操作为“删除”,我们保存的状态就是“删除”这一回滚操作。
  2. 定义 Originator 结构体/接口,这里为 Db 接口。备忘录 Command 记录的就是它的状态。
  3. 定义 Caretaker 结构体/接口,这里为 Transaction 结构体。Transaction 采用了延迟执行的设计,当调用 Exec 方法时只会将命令缓存到 cmds 队列中,等到调用 Commit 方法时才会执行。
  4. 在 Caretaker 中引用 Originator 对象,用于后续对其状态的保存和恢复。这里为 Transaction 聚合了 Db
  5. 在 Caretaker 中定义备忘录列表,用于保存某一时刻的系统状态。这里为在 Transaction.Commit 方法中定义了 cmdHistory 对象,保存一直执行成功的 Command
  6. 执行 Caretaker 具体的业务逻辑,这里为在 Transaction.Commit 中调用 Command.Exec 方法,执行具体的数据库操作命令。
  7. 业务逻辑执行成功后,保存当前的状态。这里为调用 cmdHistory.add 方法将 Command 保存起来。
  8. 如果业务逻辑执行失败,则恢复到原来的状态。这里为调用cmdHistory.rollback 方法,反向执行已执行成功的 CommandUndo 方法进行状态恢复。
  9. 根据具体的业务需要,定义具体的备忘录,这里定义了InsertCmdUpdateCmdDeleteCmd

扩展

MySQL 的 undo log 机制

MySQL 的 undo log(回滚日志)机制本质上用的就是备忘录模式的思想,前文中 Transaction 回滚机制实现的方法参考的就是 undo log 机制。

undo log 原理是,在提交事务之前,会把该事务对应的回滚操作(状态)先保存到 undo log 中,然后再提交事务,当出错的时候 MySQL 就可以利用 undo log 来回滚事务,即恢复原先的记录值。

比如,执行一条插入语句:

insert into region(id, name) values (1, "beijing");

那么,写入到 undo log 中对应的回滚语句为:

delete from region where id = 1;

当执行一条语句失败,需要回滚时,MySQL 就会从读取对应的回滚语句来执行,从而将数据恢复至事务提交之前的状态。undo log 是 MySQL 实现事务回滚和多版本控制(MVCC)的根基。

典型应用场景

  • 事务回滚。事务回滚的一种常见实现方法是 undo log,其本质上用的就是备忘录模式。
  • 系统快照(Snapshot)。多版本控制的用法,保存某一时刻的系统状态快照,以便在将来能够恢复。
  • 撤销功能。比如 Microsoft Offices 这类的文档编辑软件的撤销功能。

优缺点

优点

  1. 提供了一种状态恢复的机制,让系统能够方便地回到某个特定状态下。
  2. 实现了对状态的封装,能够在不破坏封装的前提下实现状态的保存和恢复。

缺点

  1. 资源消耗大。系统状态的保存意味着存储空间的消耗,本质上是空间换时间的策略。undo log 是一种折中方案,保存的状态并非某一时刻数据库的所有数据,而是一条反操作的 SQL 语句,存储空间大大减少。
  2. 并发安全。在多线程场景,实现备忘录模式时,要注意在保证状态的不变性,否则可能会有并发安全问题。

与其他模式的关联

在实现 Undo/Redo 操作时,你通常需要同时使用 备忘录模式命令模式

另外,当你需要遍历备忘录对象中的成员时,通常会使用 迭代器模式,以防破坏对象的封装。

文章配图

可以在 用Keynote画出手绘风格的配图 中找到文章的绘图方法。

参考

[1] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式:SOLID原则, 元闰子

[2] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式:命令模式, 元闰子

[3] Design Patterns, Chapter 5. Behavioral Patterns, GoF

[4] 备忘录模式, refactoringguru.cn

[5] MySQL 8.0 Reference Manual :: 15.6.6 Undo Logs, MySQL

更多文章请关注微信公众号:元闰子的邀请

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