19.设计模式-MEMENTO（备忘录）

一、模式定义与核心思想

备忘录模式是一种行为型设计模式，其核心目标是通过在不破坏对象封装性的前提下，捕获并保存其内部状态，并在需要时恢复至历史状态。该模式通过将状态管理与业务逻辑解耦，赋予系统以下核心能力：

1. 状态回溯：支持撤销（Undo）、重做（Redo）操作（如文本编辑器的撤销功能）。
2. 历史快照：保存对象的关键状态快照（如游戏存档、数据库事务回滚）。
3. 封装保护：避免外部直接访问对象内部状态，确保数据安全性。

核心设计哲学：

• 状态隔离：通过独立备忘录对象存储状态，避免业务对象与状态管理逻辑耦合。
• 职责分离：发起者（Originator）专注于业务逻辑，管理者（Caretaker）专注状态生命周期管理。

典型应用场景：

• 文本编辑器的多级撤销/重做
• 游戏存档与读档系统
• 数据库事务的原子性保障
• 浏览器历史记录导航

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二、模式组成与UML类图

核心角色

1. Originator（发起者）：

• • 负责创建备忘录对象（createMemento()），保存当前状态。
  • 提供状态恢复接口（restore(memento)），从备忘录加载历史状态。

1. Memento（备忘录）：

• • 封装Originator的内部状态（如字段值、配置参数）。
  • 对外仅暴露窄接口（如只读属性），保护数据完整性。

1. Caretaker（管理者）：

• • 维护备忘录集合（如栈、列表），支持多版本状态管理。
  • 不直接操作备忘录内容，仅负责存储与传递。

UML类图

classDiagram
    class Originator {
        -state: String
        +createMemento(): Memento
        +restore(memento: Memento): void
    }

    class Memento {
        -state: String
        +getState(): String
    }

    class Caretaker {
        -mementos: List<Memento>
        +save(memento: Memento): void
        +retrieve(index: int): Memento
    }

    Originator --> Memento : 创建/恢复
    Caretaker --> Memento : 存储/检索

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三、代码实现示例

场景：实现文本编辑器的多级撤销功能

1. 备忘录与发起者类

// 备忘录类（仅暴露只读接口）
public class TextMemento {
    private final String content;
    public TextMemento(String content) { this.content = content; }
    public String getContent() { return content; }
}

// 发起者类（文本编辑器）
public class TextEditor {
    private String content;

    public void write(String text) { content += text; }

    public TextMemento save() {
        return new TextMemento(content);
    }

    public void restore(TextMemento memento) {
        this.content = memento.getContent();
    }

    public void print() {
        System.out.println("当前内容: " + content);
    }
}

2. 管理者类与客户端调用

// 管理者类（历史记录栈）
public class History {
    private Stack<TextMemento> stack = new Stack<>();

    public void push(TextMemento memento) {
        stack.push(memento);
    }

    public TextMemento pop() {
        return stack.pop();
    }
}

// 客户端调用
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        TextEditor editor = new TextEditor();
        History history = new History();

        editor.write("Hello");       // 写入内容
        history.push(editor.save()); // 保存状态1
        editor.write(" World!");     
        history.push(editor.save()); // 保存状态2

        editor.print(); // 输出: 当前内容: Hello World!

        // 撤销到上一个状态
        editor.restore(history.pop());
        editor.print(); // 输出: 当前内容: Hello
    }
}

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四、工业级源码应用

1. Java AWT/Swing撤销框架：

• • UndoManager类通过备忘录模式管理GUI操作历史，支持undo()和redo()。

1. Spring框架事务管理：

• • @Transactional注解通过备忘录保存数据库连接状态，异常时回滚至事务开始点。

1. 游戏引擎存档系统：

• • Unity的PlayerPrefs和Unreal Engine的SaveGame系统利用备忘录模式序列化游戏对象状态。

1. 浏览器历史记录：

• • Chrome的History API通过栈结构存储页面状态，支持前进/后退导航。

1. 数据库事务日志：

• • MySQL的InnoDB引擎使用REDO/UNDO日志实现ACID特性，本质是备忘录模式的扩展。

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五、模式优劣与最佳实践

优势：

• 状态安全：通过私有构造函数和接口限制，防止外部篡改历史数据。
• 扩展灵活：支持多级撤销、分支存档等复杂场景（如Git版本控制）。

局限性：

• 内存消耗：频繁保存大对象可能导致内存溢出（需结合序列化存储优化）。
• 性能损耗：高频率状态保存场景需权衡性能（如实时游戏引擎）。

最佳实践：

1. 增量快照：仅保存变化的部分（如Vue.js的虚拟DOM Diff算法）。
2. 懒加载策略：延迟加载非活跃状态的备忘录（如浏览器标签页冻结）。
3. 结合原型模式：通过深拷贝减少状态复制的开销。

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总结

备忘录模式如同软件系统的“时间机器”，通过状态快照化和历史可追溯的设计理念，在编辑器、游戏、数据库等领域展现了强大的生命力。其核心价值在于将状态管理与业务逻辑解耦，开发者需重点把控备忘录的存储粒度与性能平衡，结合具体场景选择内存快照或持久化存储策略，从而构建出高可靠、易维护的系统架构。