设计模式——命令模式

一、定义与概念

• 定义
  C++ 命令模式（Command Pattern）是一种行为型设计模式，它将一个请求封装为一个对象，从而使你可以用不同的请求对客户进行参数化，对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。

二、结构和组成部分

命令接口（Command Interface）

• 定义：
  这是所有命令类的抽象接口，它定义了一个执行命令的方法。这个接口使得客户端可以统一对待不同的命令对象，而不需要知道命令的具体实现细节。
• 代码示例（简单的命令接口）

class Command {
public:
    virtual void execute() = 0;
    virtual ~Command() {}
};

具体命令类（Concrete Command Classes）

• 定义：
  具体命令类实现了命令接口，它们通常包含一个接收者对象，并在执行命令方法中调用接收者的相关方法来完成具体的操作。每个具体命令类对应一个具体的操作或请求。
• 代码示例（以电灯开关命令为例）

class Light {
public:
    void on() {
        std::cout << "Light is on." << std::endl;
    }

    void off() {
        std::cout << "Light is off." << std::endl;
    }
};

class LightOnCommand : public Command {
private:
    Light* light;

public:
    LightOnCommand(Light* l) : light(l) {}

    void execute() override {
        light->on();
    }
};

class LightOffCommand : public Command {
private:
    Light* light;

public:
    LightOffCommand(Light* l) : light(l) {}

    void execute() override {
        light->off();
    }
};

调用者（Invoker）

定义：
调用者类负责调用命令对象的执行方法。它可以存储命令对象，并在需要的时候执行命令。调用者类通常不知道命令的具体内容，只是按照需求触发命令的执行。

• 代码示例（简单的调用者类）

class Invoker {
private:
    Command* command;

public:
    void setCommand(Command* c) {
        command = c;
    }

    void executeCommand() {
        command->execute();
    }
};

接收者（Receiver）

• 定义：
  接收者类是实际执行命令的对象，它包含了完成具体操作的方法。在命令模式中，具体命令类通过调用接收者的方法来实现命令的执行。
• 代码示例（上述电灯示例中的电灯类就是接收者）

三、应用场景

菜单命令系统

• 解释：
  ’在图形用户界面（GUI）的菜单系统中，每个菜单项都对应一个命令。当用户点击菜单项时，就相当于执行一个命令。通过命令模式，可以将菜单命令的触发和具体的操作实现分离，使得菜单系统更容易扩展和维护。
• 示例：
  在一个文本编辑软件中，“复制”“粘贴”“保存” 等菜单命令都可以用命令模式实现。每个命令对应一个具体命令类，接收者可能是文本编辑区域、文件系统等，调用者是菜单点击事件的处理器。

宏命令

• 解释：
  宏命令是一组命令的集合，可以作为一个命令来执行。通过命令模式，可以方便地实现宏命令，将多个命令封装在一个宏命令类中，当执行宏命令时，依次执行其中包含的各个命令。
• 示例：
  在一个图形处理软件中，可以定义一个 “图像优化宏命令”，它包含 “调整对比度”“调整亮度”“锐化” 等多个命令。用户执行宏命令时，软件会依次执行这些命令来优化图像。

事务处理系统

• 解释：
  在事务处理系统中，一个事务可能包含多个操作，这些操作需要要么全部成功执行，要么全部不执行（回滚）。命令模式可以用于将每个操作封装为一个命令，然后通过调用者来控制这些命令的执行和回滚。
• 示例：
  在银行转账系统中，一次转账事务可能包括从一个账户扣款和向另一个账户存款两个操作。这两个操作可以分别封装为命令，在转账时，调用者先执行扣款命令，再执行存款命令，如果其中一个命令执行失败，则调用者需要回滚，执行相反的操作来恢复账户状态。

四、优缺点

优点

• 解耦请求发送者和接收者：
  命令模式将请求的发送者（调用者）和接收者解耦，使得发送者不需要知道接收者的具体实现和操作细节，从而提高了系统的可维护性和可扩展性。
• 可扩展性好：
  可以很容易地添加新的命令类，只需要实现命令接口并定义新的操作即可。这对于需要频繁添加新功能的系统非常有利。
• 支持命令排队、记录和撤销：
  由于命令被封装为对象，可以方便地对命令进行排队、记录操作日志，并且对于某些具有可逆操作的命令，还可以实现撤销功能。
  缺点
• 增加代码复杂性：
  命令模式引入了多个类和对象，包括命令接口、具体命令类、调用者和接收者等，这可能会增加代码的复杂性，尤其是在简单的应用场景中，可能会导致过度设计。
• 性能开销：
  由于命令的封装和调用涉及多个对象之间的交互，可能会带来一定的性能开销，在对性能要求较高的场景中需要谨慎考虑。

命令模式在需要灵活处理请求、支持命令排队和撤销等功能的场景中非常有用，但在使用时需要权衡其优缺点，根据实际需求合理应用。

五、补充：命令模式是如何支持回滚的

命令模式支持回滚的基础原理

在命令模式中，命令被封装为对象，每个命令对象都有明确的执行逻辑（execute方法）。为了支持回滚，关键在于为每个命令对象定义一个与之对应的反向操作逻辑，这个反向操作逻辑可以封装在一个undo方法中。
例如，在银行转账系统中，转账命令包含从账户 A 扣款和向账户 B 存款两个操作。对应的，回滚命令就是从账户 B 扣款和向账户 A 存款，这两个反向操作可以封装在转账命令类的undo方法中。

命令类的结构调整

• 添加undo方法到命令接口：
  首先，在命令接口（Command接口）中除了定义execute方法外，还需要定义undo方法。

 class Command {
 public:
     virtual void execute() = 0;
     virtual void undo() = 0;
     virtual ~Command() {}
 };

• 具体命令类实现undo方法：
  以电灯开关命令为例，对于LightOnCommand，其undo方法就是关闭电灯，对于LightOffCommand，其undo方法就是打开电灯。

 class Light {
 public:
     void on() {
         std::cout << "Light is on." << std::endl;
     }

     void off() {
         std::cout << "Light is off." << std::endl;
     }
 };

 class LightOnCommand : public Command {
 private:
     Light* light;

 public:
     LightOnCommand(Light* l) : light(l) {}

     void execute() override {
         light->on();
     }

     void undo() override {
         light->off();
     }
 };

 class LightOffCommand : public Command {
 private:
     Light* light;

 public:
     LightOffCommand(Light* l) : light(l) {}

     void execute() override {
         light->off();
     }

     void undo() override {
         light->on();
     }
 };

调用者对回滚操作的管理

• 调用者存储命令历史：
  调用者（Invoker）类需要能够存储已执行的命令列表，以便在需要回滚时能够获取到这些命令。可以使用一个std::vector来存储命令对象。

 class Invoker {
 private:
     std::vector<Command*> executedCommands;
     Command* currentCommand;

 public:
     void setCommand(Command* c) {
         currentCommand = c;
     }

     void executeCommand() {
         currentCommand->execute();
         executedCommands.push_back(currentCommand);
     }

     void undoLastCommand() {
         if (!executedCommands.empty()) {
             Command* lastCommand = executedCommands.back();
             lastCommand->undo();
             executedCommands.pop_back();
         }
     }
 };

• 执行回滚操作：
  当需要回滚时，调用者通过遍历已存储的命令列表，并对每个命令调用undo方法来实现回滚。例如，在一个文本编辑软件中，如果用户执行了 “插入文本” 和 “删除文本” 命令，调用者可以按照执行顺序的反方向对这些命令进行回滚，恢复到原始文本状态。

事务管理与回滚

在更复杂的事务处理系统中，命令模式支持回滚的机制更加重要。

• 事务的原子性保障：
  以银行转账事务为例，转账事务由从源账户扣款命令和向目标账户存款命令组成。如果在执行过程中出现错误（如目标账户不存在或源账户余额不足），调用者可以通过调用这两个命令的undo方法来撤销已经执行的部分操作，保证事务的原子性，即转账操作要么全部成功，要么全部失败。
• 回滚的协调机制：
  当一个事务包含多个命令时，需要在调用者中实现一种协调机制，确保这些命令的undo方法按照正确的顺序执行。例如，在数据库事务处理中，如果一个事务包含多条 SQL 命令（插入、更新、删除等），在回滚时需要按照执行的逆序依次调用每个命令对应的undo操作（如删除的反向操作是插入，更新的反向操作是更新回原数据），以恢复数据库到事务开始前的状态。

通过以上方式，命令模式可以有效地支持回滚操作，在保证系统灵活性和可扩展性的同时，为系统的稳定性和数据完整性提供保障。