Go语言实现GoF设计模式：备忘录模式的实践探索

本文分享自华为云社区《【Go实现】实践GoF的23种设计模式：备忘录模式》，作者：元闰子。

简介

相对于代理模式、工厂模式等设计模式，备忘录模式（Memento）在我们日常开发中出镜率并不高，除了应用场景的限制之外，另一个原因，可能是备忘录模式 UML 结构的几个概念比较晦涩难懂，难以映射到代码实现中。比如 Originator（原发器）和 Caretaker（负责人），从字面上很难看出它们在模式中的职责。

但从定义来看，备忘录模式又是简单易懂的，GoF 对备忘录模式的定义如下：

Without violating encapsulation, capture and externalize an object’s internal state so that the object can be restored to this state later.

也即，在不破坏封装的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外进行保存，以便在未来将对象恢复到原先保存的状态。

从定义上看，备忘录模式有几个关键点：封装、保存、恢复。

对状态的封装，主要是为了未来状态修改或扩展时，不会引发霰弹式修改；保存和恢复则是备忘录模式的主要特点，能够对当前对象的状态进行保存，并能够在未来某一时刻恢复出来。

现在，在回过头来看备忘录模式的 3 个角色就比较好理解了：

Memento（备忘录）：是对状态的封装，可以是 struct ，也可以是 interface。
Originator（原发器）：备忘录的创建者，备忘录里存储的就是 Originator 的状态。
Caretaker（负责人）：负责对备忘录的保存和恢复，无须知道备忘录中的实现细节。

UML 结构

场景上下文

在前文【Go实现】实践GoF的23种设计模式：命令模式我们提到，在简单的分布式应用系统（示例代码工程）中，db 模块用来存储服务注册信息和系统监控数据。其中，服务注册信息拆成了 profiles 和 regions 两个表，在服务发现的业务逻辑中，通常需要同时操作两个表，为了避免两个表数据不一致的问题，db 模块需要提供事务功能:

事务的核心功能之一是，当其中某个语句执行失败时，之前已执行成功的语句能够回滚，前文我们已经介绍如何基于命令模式搭建事务框架，下面我们将重点介绍，如何基于备忘录模式实现失败回滚的功能。

代码实现

// demo/db/transaction.go

package db

// Command 执行数据库操作的命令接口，同时也是备忘录接口

// 关键点1：定义Memento接口，其中Exec方法相当于UML图中的SetState方法，调用后会将状态保存至Db中

type Command interface {

    Exec() error // Exec 执行insert、update、delete命令

    Undo() // Undo 回滚命令

    setDb(db Db) // SetDb 设置关联的数据库

}

// 关键点2：定义Originator，在本例子中，状态都是存储在Db对象中

type Db interface {...}

// Transaction Db事务实现，事务接口的调用顺序为begin -> exec -> exec > ... -> commit

// 关键点3：定义Caretaker，Transaction里实现了对语句的执行（Do）和回滚（Undo）操作

type Transaction struct {

    name string

    // 关键点4：在Caretaker（Transaction）中引用Originator（Db）对象，用于后续对其状态的保存和恢复

    db   Db

    // 注意，这里的cmds并非备忘录列表，真正的history在Commit方法中

    cmds []Command

}

// Begin 开启一个事务

func (t *Transaction) Begin() {

    t.cmds = make([]Command, 0)

}

// Exec 在事务中执行命令，先缓存到cmds队列中，等commit时再执行

func (t *Transaction) Exec(cmd Command) error {

    if t.cmds == nil {

        return ErrTransactionNotBegin

    }

    cmd.setDb(t.db)

    t.cmds = append(t.cmds, cmd)

    return nil

}

// Commit 提交事务，执行队列中的命令，如果有命令失败，则回滚后返回错误

func (t *Transaction) Commit() error {

    // 关键点5：定义备忘录列表，用于保存某一时刻的系统状态

    history := &cmdHistory{history: make([]Command, 0, len(t.cmds))}

    for _, cmd := range t.cmds {

        // 关键点6：执行Do方法

        if err := cmd.Exec(); err != nil {

            // 关键点8：当Do方法执行失败时，则进行Undo操作，根据备忘录history中的状态进行回滚

            history.rollback()

            return err

        }

        // 关键点7：如果Do方法执行成功，则将状态（cmd）保存在备忘录history中

        history.add(cmd)

    }

    return nil

}

// cmdHistory 命令执行历史

type cmdHistory struct {

    history []Command

}

func (c *cmdHistory) add(cmd Command) {

    c.history = append(c.history, cmd)

}

func (c *cmdHistory) rollback() {

    for i := len(c.history) - 1; i >= 0; i-- {

        c.history[i].Undo()

    }

}

// InsertCmd 插入命令

// 关键点9: 定义具体的备忘录类，实现Memento接口

type InsertCmd struct {

    db         Db

    tableName  string

    primaryKey interface{}

    newRecord  interface{}

}

func (i *InsertCmd) Exec() error {

    return i.db.Insert(i.tableName, i.primaryKey, i.newRecord)

}

func (i *InsertCmd) Undo() {

    i.db.Delete(i.tableName, i.primaryKey)

}

func (i *InsertCmd) setDb(db Db) {

    i.db = db

}

// UpdateCmd 更新命令

type UpdateCmd struct {...}

// DeleteCmd 删除命令

type DeleteCmd struct {...}

客户端可以这么使用：

func client() {

    transaction := db.CreateTransaction("register" + profile.Id)

    transaction.Begin()

    rcmd := db.NewUpdateCmd(regionTable).WithPrimaryKey(profile.Region.Id).WithRecord(profile.Region)

    transaction.Exec(rcmd)

    pcmd := db.NewUpdateCmd(profileTable).WithPrimaryKey(profile.Id).WithRecord(profile.ToTableRecord())

    transaction.Exec(pcmd)

    if err := transaction.Commit(); err != nil {

        return ...

    }

  return ...

}

这里并没有完全按照标准的备忘录模式 UML 进行实现，但本质是一样的，总结起来有以下几个关键点：

定义抽象备忘录 Memento 接口，这里为 Command 接口。Command 的实现是具体的数据库执行操作，并且存有对应的回滚操作，比如 InsertCmd 为“插入”操作，其对应的回滚操作为“删除”，我们保存的状态就是“删除”这一回滚操作。
定义 Originator 结构体/接口，这里为 Db 接口。备忘录 Command 记录的就是它的状态。
定义 Caretaker 结构体/接口，这里为 Transaction 结构体。Transaction 采用了延迟执行的设计，当调用 Exec 方法时只会将命令缓存到 cmds 队列中，等到调用 Commit 方法时才会执行。
在 Caretaker 中引用 Originator 对象，用于后续对其状态的保存和恢复。这里为 Transaction 聚合了 Db。
在 Caretaker 中定义备忘录列表，用于保存某一时刻的系统状态。这里为在 Transaction.Commit 方法中定义了 cmdHistory 对象，保存一直执行成功的 Command。
执行 Caretaker 具体的业务逻辑，这里为在 Transaction.Commit 中调用 Command.Exec 方法，执行具体的数据库操作命令。
业务逻辑执行成功后，保存当前的状态。这里为调用 cmdHistory.add 方法将 Command 保存起来。
如果业务逻辑执行失败，则恢复到原来的状态。这里为调用cmdHistory.rollback 方法，反向执行已执行成功的 Command 的 Undo 方法进行状态恢复。
根据具体的业务需要，定义具体的备忘录，这里定义了InsertCmd 、UpdateCmd 和 DeleteCmd 。

扩展

MySQL 的 undo log 机制

MySQL 的 undo log（回滚日志）机制本质上用的就是备忘录模式的思想，前文中 Transaction 回滚机制实现的方法参考的就是 undo log 机制。

undo log 原理是，在提交事务之前，会把该事务对应的回滚操作（状态）先保存到 undo log 中，然后再提交事务，当出错的时候 MySQL 就可以利用 undo log 来回滚事务，即恢复原先的记录值。

比如，执行一条插入语句：

insert into region(id, name) values (1, "beijing");

那么，写入到 undo log 中对应的回滚语句为：

delete from region where id = 1;

当执行一条语句失败，需要回滚时，MySQL 就会从读取对应的回滚语句来执行，从而将数据恢复至事务提交之前的状态。undo log 是 MySQL 实现事务回滚和多版本控制（MVCC）的根基。

典型应用场景

事务回滚。事务回滚的一种常见实现方法是 undo log，其本质上用的就是备忘录模式。
系统快照（Snapshot）。多版本控制的用法，保存某一时刻的系统状态快照，以便在将来能够恢复。
撤销功能。比如 Microsoft Offices 这类的文档编辑软件的撤销功能。

优缺点

优点

提供了一种状态恢复的机制，让系统能够方便地回到某个特定状态下。
实现了对状态的封装，能够在不破坏封装的前提下实现状态的保存和恢复。

缺点

资源消耗大。系统状态的保存意味着存储空间的消耗，本质上是空间换时间的策略。

undo log 是一种折中方案，保存的状态并非某一时刻数据库的所有数据，而是一条反操作的 SQL 语句，存储空间大大减少。
并发安全。在多线程场景，实现备忘录模式时，要注意在保证状态的不变性，否则可能会有并发安全问题。

与其他模式的关联

在实现 Undo/Redo 操作时，你通常需要同时使用备忘录模式与命令模式。

另外，当你需要遍历备忘录对象中的成员时，通常会使用迭代器模式，以防破坏对象的封装。

文章配图

可以在用Keynote画出手绘风格的配图中找到文章的绘图方法。

参考

[1] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：SOLID原则, 元闰子
[2] 【Go实现】实践GoF的23种设计模式：命令模式, 元闰子
[3] Design Patterns, Chapter 5. Behavioral Patterns, GoF
[4] 备忘录模式, refactoringguru.cn
[5] MySQL 8.0 Reference Manual :: 15.6.6 Undo Logs, MySQL

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