设计模式（十九）行为型：备忘录模式详解
备忘录模式（Memento Pattern）是 GoF 23 种设计模式中的行为型模式之一，其核心价值在于在不破坏封装性的前提下，捕获并外部化一个对象的内部状态，以便在之后能够将该对象恢复到原先保存的状态。它通过引入“备忘录”对象来存储原发器（Originator）的快照，由管理者（Caretaker）负责保存和管理这些快照，从而实现状态的保存与恢复。备忘录模式是实现撤销（Undo）、重做（Redo）、事务回滚、游戏存档、对象版本控制、配置快照等关键功能的基础，是构建具备“时间旅行”能力、高容错性和用户友好性的系统的必备设计模式。
一、详细介绍
备忘录模式解决的是“需要保存对象在某一时刻的状态，并在需要时恢复该状态，但又不能暴露对象的内部实现细节”的问题。在传统设计中，若要实现撤销功能，可能会让对象提供 getState() 和 setState() 方法，但这会破坏对象的封装性，暴露其内部结构，导致耦合度高、安全性差。
备忘录模式的核心思想是：将状态的保存与恢复过程封装在三个角色中，通过“窄接口”与“宽接口”的设计，既保证了封装性，又实现了状态管理。
该模式包含以下核心角色：
- Originator（原发器）：创建一个备忘录来记录当前内部状态，并可在需要时根据备忘录恢复状态。它负责定义如何保存和恢复自身状态。
- Memento（备忘录）：存储原发器的内部状态。备忘录对象的接口设计是关键：
- 窄接口（Narrow Interface）：对外（管理者）只暴露最小必要接口，通常无任何方法（或仅用于标识），防止管理者修改状态。
- 宽接口（Wide Interface）：对原发器暴露完整状态访问权限，允许原发器读取状态以恢复自身。
在 Java 中，通常通过内部类或包级私有类实现，利用访问控制机制实现接口隔离。
- Caretaker（管理者）：负责保存和管理备忘录对象，但不能对备忘录的内容进行任何操作或检查。它只是“保管”备忘录，并在需要时将其交还给原发器。
备忘录模式的关键优势：
- 保持封装性：原发器的内部状态通过备忘录安全地外部化，管理者无法访问或修改。
- 支持撤销/重做：通过保存多个备忘录（如栈结构），可实现多级撤销与重做。
- 实现事务回滚：在操作失败时，可恢复到操作前的状态。
- 支持版本控制：可保存对象的历史状态快照。
- 解耦状态管理：状态的保存与恢复逻辑由原发器控制，管理者仅负责存储。
与“命令模式”相比，命令封装操作，备忘录封装状态；命令常与备忘录结合实现撤销功能（命令执行前保存状态）。与“观察者模式”相比，观察者关注状态变化的通知，备忘录关注状态的保存与恢复。
备忘录模式适用于：
- 需要实现撤销/重做功能（如文本编辑器、图形编辑器）。
- 需要事务性操作或回滚机制。
- 需要保存游戏进度或配置快照。
- 需要对象状态的历史版本管理。
二、备忘录模式的UML表示
以下是备忘录模式的标准 UML 类图：
图解说明：
Originator创建Memento保存状态，并可从Memento恢复状态。Memento存储Originator的状态。Caretaker保存Memento对象，但无法访问其内容。- 实际实现中，
Memento的getState()方法通常设为private或包私有，仅Originator可访问（通过内部类或友元机制）。
三、一个简单的Java程序实例及其UML图
以下是一个文本编辑器的示例，支持保存当前文本状态并撤销到之前的状态。
Java 程序实例
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;// 备忘录类：存储编辑器状态
// 使用包级私有类实现接口隔离
class EditorMemento {private final String content;private final long timestamp;// 包级私有构造函数，仅 Originator 可创建EditorMemento(String content) {this.content = content;this.timestamp = System.currentTimeMillis();}// 包级私有方法，仅 Originator 可读取状态String getContent() {return content;}long getTimestamp() {return timestamp;}@Overridepublic String toString() {return "Memento@" + timestamp + "[content='" + content + "']";}
}// 原发器：文本编辑器
class TextEditor {private String content = "";public void type(String text) {this.content += text;System.out.println("📝 输入: \"" + text + "\"");System.out.println("📄 当前内容: \"" + content + "\"");}public String getContent() {return content;}// 创建备忘录（保存当前状态）public EditorMemento save() {System.out.println("💾 保存当前状态到备忘录");return new EditorMemento(content);}// 从备忘录恢复状态public void restore(EditorMemento memento) {this.content = memento.getContent();System.out.println("⏪ 恢复到备忘录状态: " + memento);System.out.println("📄 恢复后内容: \"" + content + "\"");}
}// 管理者：历史记录
class History {private List<EditorMemento> mementos = new ArrayList<>();// 保存备忘录public void push(EditorMemento memento) {mementos.add(memento);System.out.println("📦 管理者保存备忘录，历史记录数量: " + mementos.size());}// 获取备忘录（通常按栈或队列顺序）public EditorMemento pop() {if (mementos.isEmpty()) {System.out.println("⚠️ 无可用备忘录");return null;}EditorMemento memento = mementos.remove(mementos.size() - 1);System.out.println("📤 管理者提供备忘录，剩余数量: " + mementos.size());return memento;}public boolean isEmpty() {return mementos.isEmpty();}
}// 客户端使用示例
public class MementoPatternDemo {public static void main(String[] args) {System.out.println("📝 文本编辑器 - 备忘录模式示例\n");// 创建原发器和管理者TextEditor editor = new TextEditor();History history = new History();// 初始状态System.out.println("--- 初始状态 ---");editor.type("Hello");// 保存状态1System.out.println("\n--- 保存状态1 ---");history.push(editor.save());// 修改状态System.out.println("\n--- 修改状态 ---");editor.type(" World");// 保存状态2System.out.println("\n--- 保存状态2 ---");history.push(editor.save());// 再次修改System.out.println("\n--- 再次修改 ---");editor.type("! How are you?");// 撤销（恢复到状态2）System.out.println("\n--- 执行撤销 (Undo) ---");EditorMemento memento = history.pop();if (memento != null) {editor.restore(memento);}// 再次撤销（恢复到状态1）System.out.println("\n--- 再次撤销 (Undo) ---");memento = history.pop();if (memento != null) {editor.restore(memento);}// 尝试撤销（无更多状态）System.out.println("\n--- 再次撤销 ---");memento = history.pop(); // 应为空// 演示：管理者无法访问备忘录内容System.out.println("\n💡 说明：管理者 (History) 无法读取备忘录内容，");System.out.println("🔒 保证了封装性。备忘录的 getContent() 方法是包私有。");}
}
实例对应的UML图（简化版）
运行说明：
TextEditor是原发器，维护文本内容。EditorMemento是备忘录，存储文本快照和时间戳。History是管理者，使用栈结构保存备忘录，实现撤销功能。- 客户端通过
save()创建备忘录并交由History保存。 - 通过
pop()获取备忘录并调用restore()恢复状态。 EditorMemento的getContent()为包私有，仅TextEditor可访问，History无法读取内容，保证封装性。
四、总结
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 核心目的 | 安全保存并恢复对象状态，保持封装性 |
| 实现机制 | 原发器创建备忘录，管理者存储，原发器恢复 |
| 优点 | 保持封装性、支持撤销/重做、实现回滚、解耦状态管理 |
| 缺点 | 可能消耗大量内存（保存多个快照）、管理复杂状态时备忘录设计复杂 |
| 适用场景 | 撤销/重做、事务回滚、游戏存档、配置快照、版本控制 |
| 不适用场景 | 状态极小或无需保存、性能极度敏感、状态频繁变化 |
备忘录模式使用建议：
- 使用窄接口设计，防止管理者访问内部状态。
- 考虑内存开销，可实现快照压缩、增量保存或限制历史记录长度。
- 可结合命令模式，命令对象在执行前保存备忘录。
- 在 Java 中，可使用内部类实现备忘录，天然支持访问控制。
架构师洞见：
备忘录模式是“状态持久化”与“时间控制”的抽象。在现代架构中，其思想已演变为事件溯源（Event Sourcing）、CQRS（命令查询职责分离）、数据库事务日志 和 分布式快照 的核心。例如，在事件溯源中，对象状态由事件流重建，每个事件相当于一个“操作备忘录”；在分布式系统中，Raft 或 Paxos 算法使用日志（Log）作为状态变更的备忘录；在云原生中，Kubernetes 的etcd存储集群状态快照；在 AI 训练中，模型检查点（Checkpoint）是典型的备忘录应用。未来趋势是：备忘录将与区块链结合，每个区块是系统状态的不可变备忘录；在量子计算中，量子态的测量与保存面临“观测即改变”的挑战，需要新型备忘录机制；在元宇宙中，用户虚拟形象的状态快照是跨世界迁移的基础；在AI Agent 中，Agent 的记忆（Memory）可视为一种高级备忘录，存储其经验与状态。
掌握备忘录模式，有助于设计出具备容错性、可追溯性、用户友好性的系统。作为架构师，应在设计需要“撤销”、“回滚”或“历史状态管理”的功能时，优先考虑备忘录模式。备忘录不仅是模式，更是系统韧性的保障——它提醒我们：真正的健壮性，不仅在于正确执行操作，更在于当错误发生时，系统有能力优雅地“回到过去”，从错误中学习并恢复，而非陷入不可逆的崩溃。
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