java设计模式实战【策略模式+观察者模式+命令模式+组合模式，混合模式在支付系统中的应用】

引言

在代码开发的世界里，理论知识的重要性毋庸置疑，但实战经验往往才是知识的真正试金石。正所谓，“读万卷书不如行万里路”，理论的学习需要通过实践来验证和深化。设计模式作为软件开发中的重要理论，其真正的价值在于它们在解决实际问题时的应用。之前的一篇文章中，我们通过物流系统，引入了策略+工厂方法模式，感兴趣的读者可以去阅读Java设计模式实战：从If-Else到策略+工厂方法的演变，本文将再通过支付系统来展示策略模式+观察者模式+命令模式+组合模式的混合模式在实际开发中的应用。

本文不仅是对设计模式的理论讲解，更是一次深入实战的探索。无论你是一名经验丰富的开发者还是刚入行的新手，看一遍肯定记不住，请记得收藏本文，相信一定会为你在未来工作中，引入设计模式提供一份参考

案例分析
- 支付系统概述
- 关键功能
- 面临的挑战
初始代码
- 定义Payment实体类
- 定义PaymentSystemService接口
- 定义PaymentSystemServiceImpl实现类
- 模拟调用
初始代码存在的问题分析
引入策略模式
- 策略模式介绍
- 引入策略模式后的代码
- 引入策略模式后存在的问题分析
引入观察者模式
- 观察者模式介绍
- 引入观察者模式后的代码
- 引入观察者模式后存在的问题分析
引入命令+组合模式
- 命令及组合模式介绍
- 引入命令+组合模式后的代码
- 引入命令+组合模式后的分析
混合模式设计的系统优势
写在最后

案例分析

支付系统概述

简单来说支付系统需要处理多种支付方式，还要与其他系统组件，比如风控、营销等系统进行交互，是比较复杂且难以设计的一类系统。我们就以支付系统为例，引入混合设计模式来优化

关键功能

多渠道支付处理：支持多种支付渠道，如信用卡、电子钱包、银行转账等。用户可以根据自己的偏好选择合适的支付方式
支付状态跟踪：需要跟踪和管理每笔交易的状态，确保交易的顺利完成
风控通知：在支付过程中，系统需要与风控等系统交互，确保交易的安全性
日志记录：系统应记录所有关键的支付信息，用于审计和故障排查
组合支付支持：系统应支持组合支付，即允许用户在一次交易中使用多种支付方式

面临的挑战

高耦合度：不同支付渠道的处理逻辑紧密耦合，使得系统难以适应新支付方式的添加或现有方式的修改
通知机制不灵活：支付完成后的通知机制（如风控通知和日志记录）固定且不易扩展，难以适应多变的业务需求
组合支付复杂性：支持组合支付(比如余额+银行卡)，增加了系统的复杂性，尤其是在处理多种支付方式的交互和状态管理时
维护和扩展困难：由于系统的复杂性和高耦合度，新功能的添加和现有功能的维护变得困难和风险较高

在接下来的部分中，我们将探讨如何通过引入策略模式、观察者模式和命令及组合模式的混合模式来解决这些挑战，提高支付系统的灵活性、可扩展性和可维护性

初始代码

①定义Payment实体类:

import java.math.BigDecimal;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;class Payment {String paymentType;BigDecimal amount;Payment(String paymentType, BigDecimal amount) {this.paymentType = paymentType;this.amount = amount;}
}

②定义PaymentSystemService接口：

import java.util.List;public interface PaymentSystemService {void processPayments(List<Payment> payments);
}

③定义PaymentSystemServiceImpl实现类：

public class PaymentSystemServiceImpl implements PaymentSystemService {@Overridepublic void processPayments(List<Payment> payments) {// 处理支付processPaymentMethod(payments);// 支付完成后的通知notifyRiskManagement(payments);// 上报埋点日志logTransactions(payments);}private void processPaymentMethod(List<Payment> payments) {for (Payment payment : payments) {switch (payment.paymentType) {case "CreditCard":System.out.println("Processing credit card payment: " + payment.amount);break;case "PayPal":System.out.println("Processing PayPal payment: " + payment.amount);break;// 其他支付方式...}}}// 通知风控private void notifyRiskManagement(List<Payment> payments) {System.out.println("Notifying risk management for payment.");}// 日志埋点private void logTransactions(List<Payment> payments) {for (Payment payment : payments) {System.out.println("Logging transaction: Payment type: " + payment.paymentType + ", Amount: " + payment.amount);}}
}

④模拟调用

public class Main {public static void main(String[] args) {PaymentSystemService paymentService = new PaymentSystemServiceImpl();// 示例：组合支付List<Payment> combinedPayments = new ArrayList<>();combinedPayments.add(new Payment("CreditCard", new BigDecimal("50.0")));combinedPayments.add(new Payment("PayPal", new BigDecimal("25.0")));paymentService.processPayments(combinedPayments);// 示例：单一支付// List<Payment> singlePayment = new ArrayList<>();// singlePayment.add(new Payment("CreditCard", new BigDecimal("75.0")));// paymentService.processPayments(singlePayment);}
}

初始代码存在的问题分析

在上述的初始实现中，PaymentSystemServiceImpl 类直接处理了所有的支付逻辑。这种实现方式存在几个主要问题：

高耦合度：支付逻辑直接与 PaymentSystemServiceImpl 类耦合，使得该类承担了过多的责任。每种支付方式的逻辑都集中在一个类中，违反了单一职责原则
扩展性差：添加或修改支付方式都需要修改 PaymentSystemServiceImpl 类，这违反了开闭原则
通知机制僵化：支付完成后的通知机制（如风控通知和日志记录）与支付逻辑紧密耦合，缺乏灵活性。难以适应不断变化的业务需求，必如需要增加新的通知类型或修改通知流程

为了解决这些问题，我们第一时间可以考虑引入策略模式来处理不同支付方式的逻辑，使得每种支付方式都有自己的策略类，解决这个主要问题

引入策略模式

策略模式介绍

策略模式是一种行为设计模式，它定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互换。策略模式让算法的变化独立于使用算法的客户

在支付系统中，我们可以定义一个支付策略接口，每种支付方式实现这个接口。PaymentSystemServiceImpl 类可以使用这些策略来处理不同的支付方式，而不是直接实现所有支付逻辑

引入策略模式后的代码

①定义策略接口PaymentStrategy以及具体的策略类CreditCardPaymentStrategy…:

import java.math.BigDecimal;/*** 定义支付策略的接口。*/
public interface PaymentStrategy {/*** 检查此策略是否适用于指定的支付类型。** @param paymentType 支付类型* @return 如果策略适用于该支付类型，则返回 true*/boolean appliesTo(String paymentType);/*** 处理支付。** @param amount 支付金额*/void processPayment(BigDecimal amount);
}/*** 信用卡支付策略。*/
public class CreditCardPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic boolean appliesTo(String paymentType) {return "CreditCard".equals(paymentType);}@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing credit card payment: " + amount);// 实现信用卡支付逻辑}
}/*** PayPal支付策略。*/
public class PayPalPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic boolean appliesTo(String paymentType) {return "PayPal".equals(paymentType);}@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing PayPal payment: " + amount);// 实现PayPal支付逻辑}
}

②修改PaymentSystemServiceImpl类：

public class PaymentSystemServiceImpl implements PaymentSystemService {private List<PaymentStrategy> paymentStrategies;public setPaymentStrategy(List<PaymentStrategy> paymentStrategies) {this.paymentStrategies = paymentStrategies;}@Overridepublic void processPayments(List<Payment> payments) {for (Payment payment : payments) {// 匹配策略PaymentStrategy strategy = paymentStrategies.stream().filter(s -> s.appliesTo(payment.paymentType)).findFirst().orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("No strategy found for payment type: " + payment.paymentType));strategy.processPayment(payment.amount);}// 支付完成后的通知notifyRiskManagement(payments);logTransactions(payments);}// ... notifyRiskManagement and logTransactions methods ...
}

③模拟调用

public class Main {public static void main(String[] args) {// 构造策略List<PaymentStrategy> strategies = new ArrayList<>();strategies.add(new CreditCardPaymentStrategy());strategies.add(new PayPalPaymentStrategy());// 注入策略PaymentSystemService paymentService = new PaymentSystemServiceImpl();paymentService.setPaymentStrategy(stategies);// 模拟组合支付场景List<Payment> payments = new ArrayList<>();payments.add(new Payment("CreditCard", new BigDecimal("50.0")));payments.add(new Payment("PayPal", new BigDecimal("25.0")));paymentService.processPayments(payments);}
}

引入策略模式后存在的问题分析

先看下当前代码的类图结构：
引入策略模式后的uml 类图
这个类图包括以下部分：

PaymentSystemService 接口，定义了处理支付的方法
PaymentSystemServiceImpl 类，实现了 PaymentSystemService 接口，并使用策略模式处理支付
PaymentStrategy 接口，定义了支付策略的方法
CreditCardPaymentStrategy 和 PayPalPaymentStrategy 类，实现了 PaymentStrategy 接口，分别表示信用卡和PayPal的支付策略

存在的问题点：

通知机制僵化：该问题依然存在，如果后续需要新增，比如财务记账通知，需要修改PaymentSystemService，显然违背了单一职责
策略管理复杂性：尽管观察者模式优化了通知机制，但支付策略的管理（如策略的选择和执行）仍然是 PaymentSystemServiceImpl 类的责任，这可能导致策略管理复杂
组合支付处理不足：当前的实现可能不足以优雅地处理组合支付场景，即在单次交易中使用多种支付方式。这需要更复杂的逻辑来协调不同支付方式的处理

因此我们考虑一个个问题依次解决，先引入观察者模式，以便解耦PaymentSystemServiceImpl类与通知，通知交给具体的观察者即可。这样可以用于实现更灵活的通知机制，后续可以动态添加或修改观察者

引入观察者模式

观察者模式介绍

观察者模式是一种行为设计模式，它定义了对象之间的一对多依赖关系，使得当一个对象改变状态时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。这种模式非常适合实现事件处理系统。
在观察者模式中，存在两类主要角色：

主题（Subject）：维护一系列观察者，提供用于注册和注销观察者的接口
观察者（Observer）：提供一个更新接口，用于接收来自主题的通知

引入策略模式后的代码

import java.math.BigDecimal;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;// 观察者接口
interface Observer {void update(Payment payment);
}// 主题接口
interface Subject {// 注册观察者void registerObserver(Observer o);// 移除观察者void removeObserver(Observer o);// 通知观察者void notifyObservers(Payment payment);
}// 支付策略接口
interface PaymentStrategy {boolean appliesTo(String paymentType);void processPayment(BigDecimal amount);
}// 具体的支付策略实现
class CreditCardPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic boolean appliesTo(String paymentType) {return "CreditCard".equals(paymentType);}@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing credit card payment: " + amount);}
}class PayPalPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic boolean appliesTo(String paymentType) {return "PayPal".equals(paymentType);}@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing PayPal payment: " + amount);}
}// 支付服务实现类
class PaymentSystemServiceImpl implements PaymentSystemService, Subject {private List<Observer> observers = new ArrayList<>();private List<PaymentStrategy> paymentStrategies;public PaymentSystemServiceImpl(List<PaymentStrategy> paymentStrategies) {this.paymentStrategies = paymentStrategies;}@Overridepublic void processPayments(List<Payment> payments) {for (Payment payment : payments) {PaymentStrategy strategy = paymentStrategies.stream().filter(s -> s.appliesTo(payment.paymentType)).findFirst().orElseThrow(() -> new IllegalArgumentException("No strategy found for payment type: " + payment.paymentType));strategy.processPayment(payment.amount);notifyObservers(payment);}}@Overridepublic void registerObserver(Observer o) {observers.add(o);}@Overridepublic void removeObserver(Observer o) {observers.remove(o);}@Overridepublic void notifyObservers(Payment payment) {for (Observer observer : observers) {observer.update(payment);}}
}// 支付类
class Payment {String paymentType;BigDecimal amount;Payment(String paymentType, BigDecimal amount) {this.paymentType = paymentType;this.amount = amount;}
}// 风控系统观察者
class RiskManagementObserver implements Observer {@Overridepublic void update(Payment payment) {System.out.println("Risk Management notified for payment: " + payment.amount);// 实现风控逻辑notifyRiskManagement(payment);}private void notifyRiskManagement(Payment payment) {// 风控通知逻辑}
}// 日志系统观察者
class LoggingObserver implements Observer {@Overridepublic void update(Payment payment) {System.out.println("Logging payment transaction: " + payment.amount);// 实现日志记录逻辑logTransaction(payment);}private void logTransaction(Payment payment) {// 日志记录逻辑}
}// 主方法
public class Main {public static void main(String[] args) {List<PaymentStrategy> strategies = new ArrayList<>();strategies.add(new CreditCardPaymentStrategy());strategies.add(new PayPalPaymentStrategy());PaymentSystemServiceImpl paymentService = new PaymentSystemServiceImpl(strategies);paymentService.registerObserver(new RiskManagementObserver());paymentService.registerObserver(new LoggingObserver());List<Payment> payments = new ArrayList<>();payments.add(new Payment("CreditCard", new BigDecimal("50.0")));payments.add(new Payment("PayPal", new BigDecimal("25.0")));paymentService.processPayments(payments);}
}

引入观察者模式后存在的问题分析

引入观察者模式后的类图：
[引入观察者模式后的问题分析内容]
组合支付的时序流程图：
组合支付时序流程图

引入观察者模式后解决的问题

解耦通知机制：
观察者模式将支付完成后的通知逻辑（如风控通知和日志记录）从 PaymentSystemServiceImpl 类中解耦出来。每个观察者负责处理特定的响应逻辑，降低了主类的复杂性
提高灵活性和可扩展性：
通过观察者模式，可以轻松添加或移除观察者，无需修改主类的代码。这使得在支付系统中引入新的通知类型（如财务记账通知）变得更加简单
更好地遵循单一职责原则：
观察者模式使得每个类（包括主类和观察者）都专注于单一的职责，提高了代码的可维护性

引入观察者模式后仍存在的问题

策略管理复杂性：问题依然存在，尽管观察者模式优化了通知机制，但支付策略的管理（如策略的选择和执行）仍然是 PaymentSystemServiceImpl 类的责任，这可能导致策略管理复杂
组合支付处理不足：问题依然存在，当前的实现可能不足以优雅地处理组合支付场景，即在单次交易中使用多种支付方式。这需要更复杂的逻辑来协调不同支付方式的处理

解决策略：

对于第一个问题，之前有介绍过用工厂方法模式解决，感兴趣的读者可以去阅读Java设计模式实战：从If-Else到策略+工厂方法的演变，本篇文章我们换一种模式，用命令模式来解决(很多设计模式其实都可以相互替换)
对于第二个问题，我们可以考虑引入组合模式。组合模式可以用于优雅地处理组合支付场景，允许将多个支付方式组合成一个支付请求。这样，我们可以将组合支付的逻辑从 PaymentSystemServiceImpl 类中分离出来，进一步提高系统的灵活性和可维护性

引入命令+组合模式

命令及组合模式介绍

命令模式：适用于管理和封装支付策略的执行逻辑。可以将支付操作封装为命令对象，使得支付处理逻辑与执行逻辑分离，提高代码的可重用性和可维护性。有助于实现撤销（undo）和重做（redo）等操作，增加系统的灵活性
组合模式：适用于处理组合支付场景，即在单次交易中使用多种支付方式。允许客户端以统一的方式处理单个支付组合支付，简化了客户端的使用。提高了代码的结构清晰度和可扩展性

引入命令+组合模式后的代码

import java.math.BigDecimal;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;// 观察者接口
interface Observer {void update(BigDecimal amount);
}// 主题接口
interface Subject {void registerObserver(Observer o);void removeObserver(Observer o);void notifyObservers(BigDecimal amount);
}// 命令接口
interface PaymentCommand {void execute();
}// 具体的支付命令
class ConcretePaymentCommand implements PaymentCommand {private PaymentStrategy strategy;private BigDecimal amount;private Subject subject;ConcretePaymentCommand(PaymentStrategy strategy, BigDecimal amount, Subject subject) {this.strategy = strategy;this.amount = amount;this.subject = subject;}@Overridepublic void execute() {strategy.processPayment(amount);subject.notifyObservers(amount);}
}// 支付策略接口
interface PaymentStrategy {void processPayment(BigDecimal amount);
}// 具体的支付策略
class CreditCardPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing credit card payment: " + amount);}
}class PayPalPaymentStrategy implements PaymentStrategy {@Overridepublic void processPayment(BigDecimal amount) {System.out.println("Processing PayPal payment: " + amount);}
}// 支付组件接口（组合模式）
interface PaymentComponent {void processPayment();
}// 单一支付（叶子节点）
class SinglePayment implements PaymentComponent {private PaymentCommand command;SinglePayment(PaymentCommand command) {this.command = command;}@Overridepublic void processPayment() {command.execute();}
}// 组合支付（复合节点）
class CompositePayment implements PaymentComponent {private List<PaymentComponent> payments = new ArrayList<>();void addPayment(PaymentComponent payment) {payments.add(payment);}@Overridepublic void processPayment() {for (PaymentComponent payment : payments) {payment.processPayment();}}
}// 支付服务实现（同时作为主题）
class PaymentSystemServiceImpl implements Subject {private List<Observer> observers = new ArrayList<>();@Overridepublic void registerObserver(Observer o) {observers.add(o);}@Overridepublic void removeObserver(Observer o) {observers.remove(o);}@Overridepublic void notifyObservers(BigDecimal amount) {for (Observer observer : observers) {observer.update(amount);}}void processPayments(PaymentComponent paymentComponent) {paymentComponent.processPayment();}
}// 观察者实现
class RiskManagementObserver implements Observer {@Overridepublic void update(BigDecimal amount) {System.out.println("Risk Management notified for payment: " + amount);}
}class LoggingObserver implements Observer {@Overridepublic void update(BigDecimal amount) {System.out.println("Logging payment transaction: " + amount);}
}// 主方法
public class Main {public static void main(String[] args) {PaymentSystemServiceImpl paymentService = new PaymentSystemServiceImpl();paymentService.registerObserver(new RiskManagementObserver());paymentService.registerObserver(new LoggingObserver());PaymentStrategy creditCardStrategy = new CreditCardPaymentStrategy();PaymentStrategy payPalStrategy = new PayPalPaymentStrategy();SinglePayment creditCardPayment = new SinglePayment(new ConcretePaymentCommand(creditCardStrategy, new BigDecimal("50.0"), paymentService));SinglePayment payPalPayment = new SinglePayment(new ConcretePaymentCommand(payPalStrategy, new BigDecimal("25.0"), paymentService));CompositePayment compositePayment = new CompositePayment();compositePayment.addPayment(creditCardPayment);compositePayment.addPayment(payPalPayment);paymentService.processPayments(compositePayment);}
}

引入命令+组合模式后的分析

现在完整的类图：
策略+观察者+命令+组合
这个类图包括以下部分：

Observer 和 Subject 接口，分别表示观察者和主题的基本结构
PaymentCommand和ConcretePaymentCommand 类，实现命令模式。 PaymentStrategy 接口及其具体实现类
CreditCardPaymentStrategy 和 PayPalPaymentStrategy，表示不同的支付策略
PaymentComponent 接口及其实现类 SinglePayment 和 CompositePayment，体现组合模式
PaymentSystemServiceImpl 类，实现了 Subject 接口，同时处理支付命令
RiskManagementObserver 和 LoggingObserver 类，作为观察者实现特定的通知逻辑

混合模式设计的系统优势

增强的灵活性和可扩展性：
- 策略模式允许动态更换支付逻辑，适应新的支付方式
- 命令模式通过将请求封装为对象，提供了根据不同情况使用不同请求的灵活性
- 组合模式使客户端能以统一方式处理单一支付和组合支付，简化客户端使用
解耦和模块化：
- 观察者模式将通知逻辑从主业务逻辑中解耦，简化了通知类型的添加和修改
- 策略模式和命令模式的应用进一步解耦了支付处理逻辑，增强了模块化
提高代码的可维护性：
- 模式的应用降低了系统的整体复杂性，使代码更清晰易维护
- 系统的不同部分可以独立变化，减少了相互间的影响
更好地遵循软件设计原则：
- 混合模式设计遵循了单一职责原则、开放封闭原则等
- 提高了系统的可测试性和可靠性