委托模式

概述

委托是对一个类的功能进行扩展和复用的方法。它的做法是：写一个附加的类提供附加的功能，并使用原来的类的实例提供原有的功能。

场景

扩展和复用一个类的功能常用的一种方法是继承，而另一种更普遍的方法则是委托。在很多情况下委托很适用，而继承则并不适用。另外在[MEYERS98]中也讲到，公有继承表现的设计思想是“is-a-kind-of” ，私有继承表现的设计思想则是“is-implemented-in-terms-of”[1]，这些关系都是静态的、不能在运行时改变的。而在一些情况下我们需要表现的设计思想是“is-a-role-played-by”的关系，在这些情况下不应该用继承的方法。

下面用一个例子来帮助说明。假设我们为一个航空公司设计软件系统，于是我们必须用一些类来表示各种各样的“人”，包括机组人员、售票员、旅客等等。一种思路是这样：因为这些人都是抽象的“人”，因此设计一个Person抽象类，并从这个抽象类衍生出我们需要的各种类。由此我们得到下面的类图：

图1　用继承的方法建模

这个设计方案的问题是很明显的：一个机组人员在休假的时候可能乘坐飞机而成为一个旅客；航空公司也可能把机组人员调去做售票员……是的，一个人可能成为三种角色中的任何一种。如果我们一定要坚持继承的思路，那么我们可能得到下面这个图：（见图2）

图2　继承解决方案的发展（类爆炸的实例）

很明显我们遇到了“类爆炸”的问题。我们这里只有三个角色，就需要用七个衍生类来表现所有的情况。如果我们有六个角色呢？我们将需要63个衍生类。（我画图2用了15分钟的时间，如果要画63个衍生类……呵呵，呵呵）

而且即使使用了这么多衍生类，我们仍然有困难。因为继承所表现的“is-a-kind-of”关系是静态的，在编译时就固定了。而一个“人”可能在不同的时间扮演不同的角色，于是我们可能需要用多个对象来表现同一个“人”的不同角色，这也是一件相当麻烦的事情。

而另一方面，如果我们用委托的方式来表现这个问题，我们可以得到一个相当优雅的解决方案，上面提到的问题都自然的解决了。这样的解决方案如图3所示：

图3　使用委托的建模

约束

如果你发现一个对象需要在不同的时间“成为”不同的衍生类，那么首先这个对象根本不应该“是”一个衍生类。因为一个对象一旦作为衍生类被创建出来，它就只能是这个衍生类的实例而不能扮演其他角色了。另一方面，一个对象可以在不同的时间把不同的行为委托给不同的对象。

如果你发现一个衍生类在试图隐藏其超类的方法或变量，这说明这个类根本不应当从这个超类衍生得到，因为根本没有什么合理的理由来隐藏超类的方法或变量。但另一方面，如果使用委托的设计方法，你就可以随意选择需要的方法或变量。

把一个类设计成现有的具体类的衍生类也不是一件值得推荐的事情。（这个话题的C++版本在[MEYERS96]中有非常详细的介绍，因此我就不在这里赘言了。）

“不适当的继承”在实际中被如此广泛的应用，以至于可以把它们归纳成一种“反模式（antipattern）”了。正如上面所说的，继承一个具体类可能导致各种无法预料的问题。实际上，可能绝大多数对类的功能的扩展和复用都不应该使用继承。

解决方案

委托是对类的行为进行复用和扩展的一条途径。它的工作方式是：包含原有类的实例引用，实现原有类的接口，将对原有类方法的调用转发给内部的实例引用。图4展示了本模式的一般形式：

图4　使用委托模式对类的行为进行复用和扩展

委托的用途比继承更加广泛。用继承能实现的对类的任何形式的扩展都可以用委托的方式完成。因此在[GoF]中也建议尽量用委托代替继承。

参与者

• Delegator（委托者）
  - 保存Delegate的实例引用。
  - 实现Delegate的接口。
  - 将对Delegate接口方法的调用转发给Delegate。
  
  
• Delegate（受委托者）
  - 接受Delegator的调用，帮助Delegator实现其接口。

效果

使用委托模式可以避免继承方法遇到的问题。另外，使用委托模式可以很容易的在运行时对其行为进行组合。

委托模式的主要缺点是类之间的联系、类体系结构不如继承那样清楚明显。不过也有一些方法可以改善这些联系的清楚程度。

• 使用一致并且清楚的名称，让程序的读者可以直观的知道Delegator和Delegate之间的联系。比如说，如果用一个类来代理一些Widget衍生类的创建，那么把这个类命名为WidgetFactory就是不错的方法。
• 在程序中写上适当的注释，告诉读者：这里使用委托模式。
• 遵循Law of Demeter模式[GRAND99]，即：如果两个类之间只有间接联系，采用间接委托；如果有直接联系，采用直接委托。这可以减少类之间的联系数量。
• 使用大家都知道的设计和编码模式。因为委托模式是很多其他模式的基础，如果在其他模式中使用委托模式，读者更容易理解。实现

  委托模式的实现是非常直接的。Delegator保存Delegate的实例引用，并转发相应的方法调用。

  C++应用

  委托模式可以说是无处不在的，C++中的例子附拾皆是。一个例子就是标准库中的auto_ptr。auto_ptr用一个私有变量保存原始指针，并将对operator*和operator&的调用转发给原始指针。（在[MEYERS96]中有对auto_ptr的详细描述。）

  代码示例

  作为实际的例子，我们仍然考虑“场景”一节中讲的航空公司软件系统。这一次我们要在“飞行段” [2]中随时检查飞机上行李的数量。我们用FlightSegment类表示飞行段，用LuggageCompartment表示行李舱，Client将使用checkLuggage()函数向FlightSegment查询行李情况。一个飞行段可能会使用不同的飞机，当然也就有不同的行李舱了。我们使用委托模式实现对行李的检查，得到如图5所示的类图：

  
  图5　“行李检查”的例子中使用的类

  如图所示，任意时刻一个FlightSegment都保存一个LuggageCompartment的指针（当飞行进行的时候，这个指针不为NULL；没有飞行的时候，这个指针则为NULL），它把checkLuggage()函数调用转发给LuggageCompartment，并将返回值传回给Client。

  首先是FlightSegment的代码：

  class LuggageCompartment; //前置声明，保证成员指针正确声明 class FlightSegment { private: LuggageCompartment * m_pLC; //成员指针 public: void SetLuggageCompartment(LuggageCompartment * pLC) { m_pLC = pLC; } //设置成员指针 FlightSegment() //构造函数将成员指针初始化为null { m_pLC = 0 }; int checkLuggage() { if(m_pLC==0) return -1; return m_pLC->checkLuggage(); //将函数调用委托给成员指针 } }; 然后是LuggageCompartment的代码：class LuggageCompartment { private: int m_iLuggage; //私有变量，保存现在的行李总数 public: LuggageCompartment(); //构造函数 { m_iLuggage = 0; } int TakeoutLuggage(); //取出一件行李 { if(m_iLuggage!=0) m_iLuggage--; return m_iLuggage; } int InsertLuggage(); //放入一件行李 { return (++m_iLuggage); } int checkLuggage(); //检查行李总数 { return m_iLuggage; } }; 最后是client可能写出这样的代码： ... #include ... FlightSegment segment; LuggageCompartment lc1, lc2; ... for(int i=0; i<10; i++) lc1.InsertLuggage(); ... segment.SetLuggageCompartment(&lc1); cout << "Now we have " << segment.checkLuggage() << " Luggages." << endl; ... segment.SetLuggageCompartment(&lc2); cout << "Now we have " << segment.checkLuggage() << " Luggages." << endl; ... （以上程序在MICROSOFT VC++6.0及BORLAND C++ BUILDER 5.0编译通过。）相关模式

  几乎所有其他模式都使用了本模式。一些模式——例如Decorator模式和Proxy模式[GRAND98]──对Delegation模式的依赖是最为明显的。

  参考书目

  [GoF] Gamma etc., Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software. Addison-Wesley 1995.
  中文版：《设计模式：可复用面向对象软件的基础》，李英军等译，机械工业出版社2000年。

  [GRAND98] Mark Grand, Patterns in Java (volume 1), Wiley computer publishing 1998.

  [GRAND99] Mark Grand, Patterns in Java (volume 2), Wiley computer publishing 1999.

  [MEYERS96] Scott Meyers, More Effective C++, Addison-Wesley 1996.
  繁体中文版：《More Effective C++国际中文版》，侯捷译，培生教育出版集团2000年。

  [MEYERS98] Scott Meyers, Effective C++ (2nd Edition), Addison-Wesley 1998.
  繁体中文版：《Effective C++ (2nd Edition) 国际中文版》，侯捷译，培生教育出版集团2000年。

  注释

  [1] [MEYERS98]的ITEM35指出，public继承表示“is-a”的关系，也就是这里所说的“is-a-kind-of”。

  [2] “飞行段”是指旅行中的一部分。一个飞行段中，飞机将从一个机场起飞、在另一个机场停留、然后再次起飞，旅客不必换飞机。