备忘录模式（Memento Pattern）详解
一、备忘录模式简介
备忘录模式（Memento Pattern） 是一种 行为型设计模式（对象行为型模式），它允许在不暴露对象内部结构的情况下保存和恢复对象的状态。换句话说，备忘录模式提供了一种状态恢复机制，使得你可以在需要的时候将对象的状态保存下来，并且能够在未来的某个时刻恢复到之前保存的状态。
别名为标记(Token)模式。
提供了一种状态恢复的实现机制，使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤。
当前在很多软件所提供的撤销(Undo)操作中就使用了备忘录模式。
你可以把它想象成“存档”功能：在游戏中，玩家可以随时保存游戏进度并在必要时加载这个进度继续游戏。
备忘录模式——软件中的“后悔药”——撤销(Undo)
通过使用备忘录模式可以让系统恢复到某一特定的历史状态。
首先保存软件系统的历史状态，当用户需要取消错误操作并且返回到某个历史状态时，可以取出事先保存的历史状态来覆盖当前状态。
备忘录模式包含以下3个角色：
Originator（原发器）
Memento（备忘录)
Caretaker（负责人）
二、解决的问题类型
备忘录模式主要用于解决以下问题：
- 需要记录对象的历史状态以便于回滚操作：例如撤销/重做功能。
- 避免直接暴露对象内部状态：保护数据隐私的同时允许外部存储这些状态。
- 管理复杂对象的状态变化：如编辑器中的文档编辑历史记录。
三、使用场景
| 场景 | 示例 |
|---|---|
| 撤销/重做功能 | 文本编辑器、绘图软件等 |
| 游戏存档 | 角色扮演游戏中的存档点 |
| 历史版本控制 | 软件开发中的代码版本控制系统 |
四、核心概念
- Originator（发起人）：负责创建一个备忘录对象来保存其内部状态，并可以从备忘录中恢复其内部状态。
- Memento（备忘录）：用于存储 Originator 的内部状态。该类仅对 Originator 可见，防止其他对象访问或修改备忘录的内容。
- Caretaker（管理者）：负责保存备忘录对象，但不直接操作备忘录内容。
五、实际代码案例（Java）
1. 定义 Memento 类
// 备忘录类，用于保存发起人的状态
class EditorMemento {
private String content;
public EditorMemento(String content) {
this.content = content;
}
public String getContent() {
return content;
}
}
2. 定义 Originator 类
// 发起人类，拥有创建和应用备忘录的能力
class TextEditor {
private String content;
public void setContent(String content) {
System.out.println("Setting content: " + content);
this.content = content;
}
public String getContent() {
return content;
}
// 创建备忘录
public EditorMemento createMemento() {
System.out.println("Saving state...");
return new EditorMemento(content);
}
// 应用备忘录
public void restoreFromMemento(EditorMemento memento) {
this.content = memento.getContent();
System.out.println("Restored to: " + this.content);
}
}
3. 定义 Caretaker 类
// 管理者类，持有备忘录对象
class HistoryManager {
private Stack<EditorMemento> history = new Stack<>();
public void saveState(EditorMemento memento) {
history.push(memento);
}
public EditorMemento undo() {
if (!history.isEmpty()) {
return history.pop();
} else {
System.out.println("No more states to undo.");
return null;
}
}
}
4. 客户端测试类
public class Client {
public static void main(String[] args) {
TextEditor editor = new TextEditor();
HistoryManager history = new HistoryManager();
editor.setContent("First draft");
history.saveState(editor.createMemento());
editor.setContent("Second draft");
history.saveState(editor.createMemento());
editor.setContent("Final draft");
System.out.println("Current Content: " + editor.getContent());
System.out.println("Undoing last change...");
EditorMemento previousState = history.undo();
if (previousState != null) {
editor.restoreFromMemento(previousState);
}
System.out.println("Current Content after undo: " + editor.getContent());
}
}
输出结果：
Setting content: First draft
Saving state...
Setting content: Second draft
Saving state...
Setting content: Final draft
Current Content: Final draft
Undoing last change...
Restored to: Second draft
Current Content after undo: Second draft
典型代码（C#）
典型的原发器类代码
namespace MementoSample
{
public class Originator
{
private string state;
public Originator(string state)
{
this.state = state;
}
// 创建一个备忘录对象
internal Memento CreateMemento()
{
return new Memento(this);
}
// 根据备忘录对象恢复原发器状态
internal void RestoreMemento(Memento m)
{
state = m.GetState();
}
public void SetState(string state)
{
this.state=state;
}
public string GetState()
{
return this.state;
}
}
}
典型的备忘录类代码
namespace MementoSample
{
//备忘录类，默认可见性，在程序集内可见
internal class Memento
{
private string state;
internal Memento(Originator o)
{
state = o.GetState();
}
internal void SetState(string state)
{
this.state = state;
}
internal string GetState()
{
return this.state;
}
}
}
备忘录模式的实现
除了Originator类，不允许其他类来调用备忘录类Memento的构造函数与相关方法。
如果允许其他类调用SetState()等方法，将导致在备忘录中保存的历史状态发生改变，通过撤销操作所恢复的状态就不再是真实的历史状态，备忘录模式也就失去了本身的意义 。
理想的情况是只允许生成该备忘录的原发器访问备忘录的内部状态。
C#语言实现：
将Memento类与Originator类定义在同一个程序集(Assembly)中来实现封装，使用访问标识符internal来定义Memento类，即保证其在程序集内可见。
将备忘录类作为原发器类的内部类，使得只有原发器才可以访问备忘录中的数据，其他对象都无法使用备忘录中的数据。
典型的负责人类代码
namespace MementoSample
{
public class Caretaker
{
private Memento memento;
internal Memento GetMemento()
{
return memento;
}
internal void SetMemento(Memento memento)
{
this.memento = memento;
}
}
}
客户端演示代码
using System;
namespace MementoSample
{
class Program
{
static void Main(string[] args)
{
//创建原发器对象
Originator ori = new Originator("状态(1)");
Console.WriteLine(ori.GetState());
//创建负责人对象，保存创建的备忘录对象
Caretaker ct = new Caretaker();
ct.SetMemento(ori.CreateMemento());
ori.SetState("状态(2)");
Console.WriteLine(ori.GetState());
//从负责人对象中取出备忘录对象，实现撤销
ori.RestoreMemento(ct.GetMemento());
Console.WriteLine(ori.GetState());
Console.Read();
}
}
}
其他案例
- 某软件公司要使用C#语言开发一款可以运行在Windows Phone移动平台的触摸式中国象棋软件，由于考虑到有些用户是“菜鸟”，经常不小心走错棋；还有些用户因为不习惯使用手指在手机屏幕上拖动棋子，常常出现操作失误，因此该中国象棋软件要提供“悔棋”功能，在用户走错棋或操作失误后可恢复到前一个步骤。如下图所示
为了实现“悔棋”功能，现使用备忘录模式来设计该中国象棋软件
六、优缺点分析
| 优点 | 描述 |
|---|---|
| ✅ 保护对象的封装性 | 不破坏对象内部结构即可备份和恢复状态 |
| ✅ 简化状态管理逻辑 | 将状态管理职责分离给专门的角色处理 |
| ✅ 支持撤销功能 | 提供了良好的撤销/重做机制。提供了一种状态恢复的实现机制，使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤。 |
| 缺点 | 描述 |
|---|---|
| ❌ 资源消耗大 | 如果频繁保存大量状态信息，可能会占用较多内存 |
| ❌ 实现复杂度增加 | 需要额外维护备忘录对象及相应的管理逻辑 |
七、与其他模式对比（补充）
| 模式名称 | 目标 |
|---|---|
| 命令模式 | 封装请求作为对象，使不同的请求参数化 |
| 状态模式 | 根据内部状态改变对象的行为 |
| 备忘录模式 | 在不影响对象的前提下保存和恢复对象的状态 |
八、最终小结
备忘录模式是一种非常有用的设计模式，特别适用于那些需要记录和恢复对象状态的应用场景。通过合理地运用备忘录模式，我们可以在保持对象封装性的前提下，有效地实现撤销/重做等功能，提升用户体验。
在开发文本编辑器、图形界面应用程序、游戏等项目时，备忘录模式能够帮助你更好地管理和控制对象的状态变化。
📌 一句话总结：
备忘录模式就像给对象拍快照，让你能在任何时候回顾并恢复到以前的状态。
✅ 推荐使用方式：
- 当你需要为用户提供撤销功能时；
- 对象的状态较为复杂，且需要定期保存时；
- 要求系统具有高可扩展性和灵活性时。
九、扩展
实现多次撤销
动机：
- 有时候用户需要撤销多步操作。
- 实现方案：在负责人类中定义一个集合来存储多个备忘录，每个备忘录负责保存一个历史状态，在撤销时可以对备忘录集合进行逆向遍历，回到一个指定的历史状态，还可以对备忘录集合进行正向遍历，实现重做(Redo)或恢复操作，即取消撤销，让对象状态得到恢复。
ce MementoSample
{
public class MementoCaretaker
{
//定义一个集合来存储多个备忘录
private ArrayList mementolist = new ArrayList();
internal ChessmanMemento GetMemento(int i)
{
return (ChessmanMemento)mementolist[i];
}
internal void SetMemento(ChessmanMemento memento)
{
mementolist.Add(memento);
}
}
}
- 用户信息操作撤销
某系统提供了用户信息操作模块，用户可以修改自己的各项信息。为了使操作过程更加人性化，现使用备忘录模式对系统进行改进，使得用户在进行了错误操作之后可以恢复到操作之前的状态。
部分内容有AI生成，请注意识别！