备忘录模式：实现对象状态撤销与恢复的设计模式
一、模式核心：在不破坏封装性的前提下保存和恢复对象状态
在软件开发中，经常需要实现 “撤销” 功能（如文本编辑器的撤销修改、游戏存档读取）。直接暴露对象内部状态会破坏封装性，而备忘录模式通过独立的备忘录对象封装状态，实现安全的状态管理。
备忘录模式（Memento Pattern） 允许在不暴露对象内部细节的情况下，捕获对象的内部状态并保存为备忘录（Memento），后续可通过备忘录恢复对象状态。核心解决：
- 状态封装：备忘录对象封装对象状态，避免外部直接访问内部属性。
- 撤销 / 重做支持：通过保存多个备忘录实现多步撤销（如版本控制）。
- 单一职责分离：将状态管理逻辑从原发对象中分离，符合开闭原则。
核心思想与 UML 类图（PlantUML 语法）
备忘录模式包含以下角色：
- 原发器（Originator）：创建并恢复自身状态的对象。
- 备忘录（Memento）：存储原发器的状态，提供有限访问接口。
- 管理者（Caretaker）：管理备忘录的创建、存储和获取（如历史记录列表）。
二、核心实现：文本编辑器的撤销功能
1. 定义原发器（文本编辑器）
public class TextEditor {
private String content; // 编辑内容
// 创建备忘录（保存当前状态）
public Memento createMemento() {
return new Memento(content);
}
// 恢复状态（从备忘录中读取）
public void restoreMemento(Memento memento) {
this.content = memento.getState();
}
// 修改内容（模拟编辑操作）
public void append(String text) {
content = (content != null ? content : "") + text;
}
// 获取当前内容
public String getContent() {
return content;
}
}
2. 定义备忘录（包可见，隐藏状态访问）
class Memento {
private final String state;
Memento(String state) {
this.state = state;
}
// 包可见方法，仅同一包内的原发器可调用
String getState() {
return state;
}
}
3. 定义管理者（保存历史记录）
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class HistoryManager {
private final List<Memento> mementoList = new ArrayList<>();
// 添加新备忘录到历史记录
public void saveMemento(Memento memento) {
mementoList.add(memento);
}
// 获取指定版本的备忘录（索引从 0 开始）
public Memento getMemento(int index) {
return mementoList.get(index);
}
}
4. 客户端使用备忘录模式
public class ClientDemo {
public static void main(String[] args) {
TextEditor editor = new TextEditor();
HistoryManager history = new HistoryManager();
// 编辑步骤 1：输入 "Hello"
editor.append("Hello");
System.out.println("当前内容：" + editor.getContent()); // 输出：Hello
history.saveMemento(editor.createMemento()); // 保存状态 1
// 编辑步骤 2：添加 " World!"
editor.append(" World!");
System.out.println("当前内容：" + editor.getContent()); // 输出：Hello World!
history.saveMemento(editor.createMemento()); // 保存状态 2
// 撤销到第一步
editor.restoreMemento(history.getMemento(0));
System.out.println("撤销后内容：" + editor.getContent()); // 输出：Hello
}
}
输出结果：
当前内容：Hello
当前内容：Hello World!
撤销后内容：Hello
三、进阶：实现多步撤销与状态快照
通过在管理者中维护备忘录列表，支持回滚到任意历史版本（如版本控制系统）。
1. 扩展管理者支持版本索引
public class AdvancedHistoryManager {
private final List<Memento> mementoList = new ArrayList<>();
private int currentIndex = -1; // 当前版本索引
// 保存新状态并清除后续版本（如重做后新增修改）
public void saveMemento(Memento memento) {
currentIndex++;
if (currentIndex < mementoList.size()) {
mementoList.set(currentIndex, memento); // 覆盖旧版本
} else {
mementoList.add(memento); // 添加新版本
}
}
// 撤销（回退到上一版本）
public Memento undo() {
if (currentIndex > 0) {
currentIndex--;
return mementoList.get(currentIndex);
}
return null;
}
// 重做（前进到下一版本）
public Memento redo() {
if (currentIndex < mementoList.size() - 1) {
currentIndex++;
return mementoList.get(currentIndex);
}
return null;
}
}
2. 客户端测试多步撤销 / 重做
public class ClientDemo {
public static void main(String[] args) {
AdvancedHistoryManager history = new AdvancedHistoryManager();
TextEditor editor = new TextEditor();
// 编辑并保存三个版本
editor.append("A"); history.saveMemento(editor.createMemento()); // 版本 0: "A"
editor.append("B"); history.saveMemento(editor.createMemento()); // 版本 1: "AB"
editor.append("C"); history.saveMemento(editor.createMemento()); // 版本 2: "ABC"
// 撤销两次到版本 0
history.undo(); // 版本 1
history.undo(); // 版本 0
System.out.println("撤销两次后：" + editor.getContent()); // 输出："A"
// 重做一次到版本 1
editor.restoreMemento(history.redo());
System.out.println("重做一次后：" + editor.getContent()); // 输出："AB"
}
}
四、框架与源码中的备忘录实践
1. Java 的 java.io.Serializable
对象序列化可视为备忘录模式的一种实现：通过序列化保存对象状态（备忘录），反序列化恢复状态（如分布式系统中的 checkpoint）。
2. Git 版本控制
Git 通过提交（Commit）保存代码快照（备忘录），允许回滚到任意历史版本（git checkout/git revert），本质上是备忘录模式的应用。
3. Eclipse 的撤销功能
Eclipse 编辑器通过备忘录模式保存代码修改历史，支持多步撤销（Ctrl+Z）和重做（Ctrl+Y），每个修改版本对应一个备忘录。
五、避坑指南：正确使用备忘录模式的 3 个要点
1. 控制备忘录的访问权限
备忘录的状态访问方法应设为包可见（默认权限）或私有，避免外部直接修改状态，确保仅原发器可恢复状态。
2. 处理大状态的性能问题
若对象状态包含大量数据（如图像、大文件），备忘录会占用大量内存。可采用原型模式克隆轻量级状态，或虚拟备忘录仅记录差异（如命令模式中的增量保存）。
3. 避免内存泄漏
管理者需合理管理备忘录列表，及时清理不再需要的历史记录（如限制最大版本数），防止内存溢出。
六、总结：何时该用备忘录模式？
| 适用场景 | 核心特征 | 典型案例 |
|---|---|---|
| 撤销 / 重做功能 | 需要记录对象状态变化，支持回滚 | 文本编辑器、绘图软件 |
| 状态备份与恢复 | 定期保存状态快照，支持故障恢复 | 游戏存档、数据库备份 |
| 版本控制 | 需要管理对象的多个历史版本 | 代码版本管理、文档修订追踪 |
备忘录模式通过封装状态管理逻辑，在不破坏封装性的前提下实现了灵活的状态恢复机制。下一篇我们将探讨中介者模式，解析如何解耦对象间的复杂交互，敬请期待！
扩展思考：备忘录模式 vs 命令模式
| 类型 | 核心功能 | 协作方式 |
|---|---|---|
| 备忘录模式 | 保存 / 恢复对象状态 | 原发器创建备忘录，管理者存储 |
| 命令模式 | 封装操作命令，支持撤销 / 重做 | 命令对象记录操作前后状态 |
| 组合使用 | 命令模式调用备忘录模式保存操作状态，实现多步撤销 | 命令执行时创建备忘录，撤销时恢复 |
