八、桥接模式

---

1 基本介绍

桥接模式（Bridge Pattern）是一种 结构型 设计模式，它的主要目的是将 功能 与 实现 分离，使它们都可以 独立地变化。

2 案例

本案例的目的是：在 Linux 和 Windows 系统中，对文件使用不同的操作。

两个系统的文件系统都使用 Map 来实现，为了凸显出两个系统的不同，使用不同的 Map 实现类：

• 在 Linux 系统中使用 ConcurrentHashMap（线程安全）作为 Map 的实现类
• 在 Windows 系统中使用 HashMap（线程不安全）作为 Map 的实现类。

文件的操作有两种：

• 基础操作：打开文件、将内容覆盖文件、关闭文件。
• 进阶操作：需要 复合 基础操作的操作，共有以下三种：
  • 追加操作：将指定内容追加到文件尾部。
  • 复制操作：将指定源文件复制到指定目标文件。
  • 展示操作：展示文件的内容。注意：由于不想导致类的关系太过复杂，所以将其放到基础操作中实现。

2.1 OperatingSystem 抽象类

public abstract class OperatingSystem { // 操作系统 抽象类/*** 打开文件，如果没有，就新建一个文件* @param fileName 待打开文件名* @return 文件中的内容*/public abstract String openFile(String fileName);/*** 修改文件* @param fileName 待修改文件名* @param content 新的内容*/public abstract void modifyFile(String fileName, String content);/*** 关闭文件* @param fileName 待关闭文件名*/public abstract void closeFile(String fileName);
}

2.2 LinuxOS 类

public class LinuxOS extends OperatingSystem { // Linux 操作系统，它的文件系统线程安全/*** 文件系统，key 为 文件名，value 为 文件内容* 使用 ConcurrentHashMap 保证线程安全*/private final Map<String, String> fileSystem = new ConcurrentHashMap<>();@Overridepublic String openFile(String fileName) {if (!fileSystem.containsKey(fileName)) { // 如果不存在某个文件fileSystem.put(fileName, ""); // 则创建一个空文件}return fileSystem.get(fileName);}@Overridepublic void modifyFile(String fileName, String content) {fileSystem.put(fileName, content);}@Overridepublic void closeFile(String fileName) {// 在本案例中无需实现}
}

2.3 WindowsOS 类

public class WindowsOS extends OperatingSystem { // Windows 操作系统，它的文件系统线程不安全/*** 文件系统，key 为 文件名，value 为 文件内容* 使用 HashMap 可能会出现线程不安全的问题*/private final Map<String, String> fileSystem = new HashMap<>();@Overridepublic String openFile(String fileName) {if (!fileSystem.containsKey(fileName)) { // 如果不存在某个文件fileSystem.put(fileName, ""); // 则创建一个空文件}return fileSystem.get(fileName);}@Overridepublic void modifyFile(String fileName, String content) {fileSystem.put(fileName, content);}@Overridepublic void closeFile(String fileName) {// 在本案例中无需实现}
}

2.4 FileOperation 类

public class FileOperation { // 基础文件操作的类private final OperatingSystem os; // 操作系统public FileOperation(OperatingSystem os) {this.os = os;}/*** 打开文件，如果没有，就新建一个文件* @param fileName 待打开文件名* @return 文件中的内容*/public String openFile(String fileName) {return os.openFile(fileName);}/*** 修改文件* @param fileName 待修改文件名* @param content 新的内容*/public void modifyFile(String fileName, String content) {os.modifyFile(fileName, content);}/*** 关闭文件* @param fileName 待关闭文件名*/public void closeFile(String fileName) {os.closeFile(fileName);}/*** 显示文件的内容* @param fileName 待显示内容的文件名*/public void displayFile(String fileName) {String content = os.openFile(fileName);System.out.println("-----------------------------------------------------------");System.out.println("[" + fileName + "]");System.out.println(content);System.out.println("-----------------------------------------------------------");os.closeFile(fileName);}
}

2.5 FileAppender 类

public class FileAppender extends FileOperation { // 处理 追加内容操作 的类public FileAppender(OperatingSystem os) {super(os);}/*** 将指定内容追加到文件尾部* @param fileName 待追加文件名* @param appendContent 追加内容*/public void append(String fileName, String appendContent) {String content = super.openFile(fileName); // 指定文件原有的内容content += appendContent; // 将新内容追加到原有的内容后super.modifyFile(fileName, content); // 修改文件super.closeFile(fileName); // 关闭文件}
}

2.6 FileReplicator 类

public class FileReplicator extends FileOperation { // 处理 复制文件操作 的类public FileReplicator(OperatingSystem os) {super(os);}/*** 将 源文件的内容 拷贝到 目标文件中* @param srcFileName 源文件名称* @param dstFileName 目标文件名称*/public void replicate(String srcFileName, String dstFileName) {String srcContent = super.openFile(srcFileName); // 打开源文件，并获取源文件的内容super.openFile(dstFileName); // 打开目标文件super.modifyFile(dstFileName, srcContent); // 将 目标文件的内容 修改为 源文件的内容super.closeFile(dstFileName); // 关闭目标文件super.closeFile(srcFileName); // 关闭源文件}
}

2.7 Client 类

public class Client { // 使用 两种系统 分别执行 两种操作 的客户端public static void main(String[] args) {// 文件名称final String srcFileName = "src.txt"; // 源文件final String dstFileName = "dst.txt"; // 目标文件// 操作系统OperatingSystem linuxOS = new LinuxOS();OperatingSystem windowsOS = new WindowsOS();// 各种文件操作FileOperation linuxFileOperation = new FileOperation(linuxOS);FileAppender linuxFileAppender = new FileAppender(linuxOS);FileReplicator linuxFileReplicator = new FileReplicator(linuxOS);FileOperation windowsFileOperation = new FileOperation(windowsOS);FileAppender windowsFileAppender = new FileAppender(windowsOS);FileReplicator windowsFileReplicator = new FileReplicator(windowsOS);// 先分别在 Linux 和 Windows 系统中创建一个文件，并写入不同内容，之后查看内容System.out.println("操作一：创建文件并写入内容");linuxFileOperation.openFile(srcFileName);linuxFileOperation.modifyFile(srcFileName, "Hello, LinuxOS!");linuxFileOperation.closeFile(srcFileName);linuxFileOperation.displayFile(srcFileName);windowsFileOperation.openFile(srcFileName);windowsFileOperation.modifyFile(srcFileName, "Hello, WindowsOS!");windowsFileOperation.closeFile(srcFileName);windowsFileOperation.displayFile(srcFileName);System.out.println("===============================" +"=============================="); // 分隔// 然后给这两个文件追加不同的内容，并查看System.out.println("操作二：给文件追加内容");linuxFileAppender.append(srcFileName,"\nI am a programmer using Linux system.");linuxFileOperation.displayFile(srcFileName);windowsFileAppender.append(srcFileName,"\nI am a programmer using Windows system.");windowsFileOperation.displayFile(srcFileName);System.out.println("===============================" +"=============================="); // 分隔// 最后将两个文件复制到新的文件中，并查看System.out.println("操作三：复制文件内容");linuxFileReplicator.replicate(srcFileName, dstFileName);linuxFileOperation.displayFile(dstFileName);windowsFileReplicator.replicate(srcFileName, dstFileName);windowsFileOperation.displayFile(dstFileName);}
}

2.8 Client 类运行结果

操作一：创建文件并写入内容
-----------------------------------------------------------
[src.txt]
Hello, LinuxOS!
-----------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------
[src.txt]
Hello, WindowsOS!
-----------------------------------------------------------
=============================================================
操作二：给文件追加内容
-----------------------------------------------------------
[src.txt]
Hello, LinuxOS!
I am a programmer using Linux system.
-----------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------
[src.txt]
Hello, WindowsOS!
I am a programmer using Windows system.
-----------------------------------------------------------
=============================================================
操作三：复制文件内容
-----------------------------------------------------------
[dst.txt]
Hello, LinuxOS!
I am a programmer using Linux system.
-----------------------------------------------------------
-----------------------------------------------------------
[dst.txt]
Hello, WindowsOS!
I am a programmer using Windows system.
-----------------------------------------------------------

2.9 总结

在本案例中，OperatingSystem 抽象类 和 LinuxOS, WindowsOS 类组成了 实现，FileOperation, FileAppender, FileReplicator 类组成了 功能，使用 FileOperation 类将 实现 与 功能 分隔开来。

由于不想再增加本案例的复杂度，所以将 展示操作 放到本类中，依照本模式的思想，应该将 展示操作 也放到一个单独的类中，大家可以将 写一个类来处理 展示操作 当作练习。

在添加新的功能（或实现）时，无需为其添加对应的实现（或功能）类：

• 如果想要添加一个新功能，只 需要继承 功能 体系中的某个类即可。如将 展示操作 写到独立的类中。
• 如果想要添加一个新实现，只 需要继承 OperatingSystem 抽象类即可。如添加 MacOS 类。

3 各角色之间的关系

3.1 角色

3.1.1 Implementor ( 实现者 )

该角色负责 定义 用于实现 Abstraction 角色的接口的 方法，位于 实现 体系的顶端。在本案例中，OperatingSystem 抽象类扮演该角色。

3.1.2 ConcreteImplementor ( 具体实现者 )

该角色负责 实现 在 Implementor 角色中定义的 方法。在本案例中，LinuxOS, WindowsOS 类都扮演了该角色。

3.1.3 Abstraction ( 抽象化 )

该角色负责 使用 Implementor 角色的方法，定义基本的功能，位于 功能 体系的顶端。此外，还需要保存 Implementor 角色的实例。在本案例中，FileOperation 类扮演了该角色。

3.1.4 RefinedAbstraction ( 改善后的抽象化 )

该角色负责 在 Abstraction 角色的基础上添加新功能。在本案例中，FileAppender, FileReplicator 类都扮演了该角色。

3.2 类图

说明：

• Implementor 角色中的方法 method1(), method2() 是 abstract 的，强制其子类实现。
• Implementor 角色也可以是接口，这样一来，ConcreteImplementor 角色与它之间的关系就是 实现 了。
• Abstraction 角色 和 Implementor 角色 中间的 聚合 关系 就代表了 桥接模式 的 桥接。

4 注意事项

• 分离 功能 和 实现：在使用桥接模式进行设计时，需要 辨析 系统的 功能 和 实现，从而将其分离开来。这无疑增加了设计难度。
• 使用范围局限性：如果想要使用桥接模式，则系统中必须存在 两个或多个独立变化的维度，并且这些维度需要 独立扩展。如果系统中没有这样的应用场景，强行使用桥接模式可能会导致设计 过度复杂，反而降低系统的可维护性和可扩展性。

5 其思想在源码中的使用

JDBC（Java Database Connectivity）在使用桥接模式时，主要体现在它如何处理 数据库驱动的加载 和 数据库的使用 上：

• 实现体系：
  • 抽象实现：在 JDBC 中，java.sql.Driver 接口扮演了 Implementor 角色。它定义了一个驱动应该实现的接口，包括如何连接到数据库等方法。
  • 具体实现：各个数据库厂商提供的驱动类（如 com.mysql.cj.jdbc.Driver）(直接或间接地) 实现了 java.sql.Driver 接口，扮演 ConcreteImplementor 角色。这些驱动类包含了与特定数据库交互的具体逻辑。
• 功能体系——DriverManager 类：
  • DriverManager 类在 JDBC 中起到了 桥梁 的作用，它维护了一个已注册的 JDBC 驱动列表（registeredDrivers）。当通过 Class.forName() 方法加载数据库驱动时，实际上是在调用 该驱动类的静态代码块，其中包含了 将自身实例注册到 DriverManager 的 registeredDrivers 列表中 的代码。
  • 当调用 DriverManager.getConnection() 方法获取数据库连接时，DriverManager 会遍历 registeredDrivers 列表，尝试使用列表中的每个驱动与数据库建立连接，直到找到成功的连接或所有驱动都尝试失败为止。
  • 此外，DriverManager 类独立承担了所有的 功能，没有将更复杂的功能交给子类实现，这就是 JDBC 使用的桥接模式 与 常规桥接模式 的不同之处。
• 实现 与 功能 的分离：
  • 实现——数据库驱动：不同的数据库需要不同的驱动来实现与 JDBC 的交互。
  • 功能——数据库操作：DriverManager 类提供了所有的数据库操作。
• 桥接模式的优势：
  • 扩展性强：由于功能与实现分离，当需要支持新的数据库时，只需提供新的驱动实现即可，无需修改现有的 JDBC 代码。
  • 耦合度低：JDBC 的抽象接口与具体数据库实现之间通过 DriverManager 进行桥接，降低了它们之间的耦合度。

6 优缺点

优点：

• 提高可扩展性：桥接模式将 功能 与 实现 分离，使得它们可以 独立地变化。这意味着我们可以在不修改抽象代码的情况下，通过增加新的实现类来扩展系统的功能。
• 符合开闭原则：桥接模式符合开闭原则，即对扩展开放，对修改关闭。这意味着我们可以在不修改现有代码的情况下，通过扩展系统来满足新的需求。
• 降低系统的耦合度：通过桥接模式，我们可以减少类之间的直接依赖关系，降低系统的耦合度。这有助于提高系统的 可维护性 和 可测试性。
• 支持多种变化：当一个类存在 多个角度的变化 时（例如，一个类既需要支持不同的操作，又需要支持不同的实现方式），桥接模式可以很好地处理这种情况，因为它允许在多个维度上进行变化。

缺点：

• 增加系统的复杂性：桥接模式增加了系统的抽象层次，使得系统的理解和实现变得更加复杂。特别是当系统中存在大量的抽象类和实现类时，这种复杂性可能会变得难以管理。
• 增加设计的难度：在设计初期，正确地识别出哪些部分（功能部分）应该 被抽象化，哪些部分（实现部分）应该 被实现化，并不是一件容易的事情。这需要设计者对系统有深入的理解和丰富的经验。
• 增加对象的数量：由于桥接模式将 功能 和 实现 分离，因此在运行时可能会产生大量的对象。这可能会增加系统的内存开销，并降低系统的性能。
• 过度设计：在某些情况下，可能会存在过度使用桥接模式的风险。如果系统中的变化维度并不明显，或者变化的可能性很小，那么使用桥接模式可能会导致过度设计，增加不必要的复杂性。

7 适用场景

• 数据库连接 与 驱动：在连接数据库时，桥接模式可以用于分离 数据库连接接口（功能）和 不同的数据库驱动程序（实现）。这样，在不修改连接代码的情况下，可以轻松地切换不同的数据库。例如，在 JDBC（Java Database Connectivity）中，Driver 接口作为抽象部分，不同的数据库厂商（如 MySQL、Oracle）提供的驱动实现类作为实现部分，通过桥接模式实现数据库的灵活切换。
• 日志记录 与 输出目标：在记录日志时，桥接模式可以将 日志记录器（功能）与 不同的日志输出目标（如控制台、文件、数据库等，实现）解耦。这样，可以在不修改日志记录代码的情况下，轻松地切换日志输出目标。例如，在日志框架中，可以定义一个日志记录器接口，不同的日志实现类（如控制台日志实现类、文件日志实现类等）分别实现该接口，通过桥接模式实现日志记录的灵活配置。
• 消息队列 与 协议：在使用消息队列时，桥接模式可以用于分离 消息队列客户端接口（功能）和 不同的消息队列协议（如 RocketMQ、Kafka等，实现）。这样，可以在不修改消息队列代码的情况下，轻松地切换不同的消息队列协议。例如，在消息队列客户端框架中，可以定义一个消息队列客户端接口，不同的消息队列协议实现类分别实现该接口，通过桥接模式实现消息队列的灵活选择。
• 图形用户界面（GUI）：在图形用户界面（GUI）框架中，桥接模式可以用于分离 GUI 组件的抽象表示 和 具体渲染实现。例如，在 Swing 或 JavaFX 等 GUI 框架中，可以将组件的抽象行为（如按钮点击事件）与具体的渲染逻辑（如按钮的外观和样式）分离，通过桥接模式实现 GUI 组件的灵活定制和扩展。
• 插件系统：在插件系统中，桥接模式可以用于分离 插件的接口定义 和 具体的插件实现。这样，可以在不修改主程序代码的情况下，通过添加新的插件实现来扩展程序的功能。插件系统广泛应用于各种软件开发中，如 IDE（集成开发环境）、游戏平台等，桥接模式为这些系统提供了良好的扩展性和灵活性。

8 总结

桥接模式 是一种 结构型 设计模式，它的主要目的是将 功能 与 实现 分离，使它们都可以 独立地变化。这种分离方式增强了系统的 灵活性 和 可扩展性，允许在不修改抽象代码的情况下增加新的实现。桥接模式通过 聚合关系 而非 继承关系 来实现这一点，从而减少了类之间的耦合。

此外，在使用本模式之前一定要理清系统的逻辑，认清哪部分是 功能，哪部分是 实现。如果功能和实现变化的程度不大，则 不要为了使用桥接模式而使用桥接模式，这时简单一点，将其耦合起来比较方便。