一起详细聊聊C#中的Visitor模式

当我们在开发C#程序时，或多或少遇到过对象结构和操作之间互相依赖的情况，比如需要对某一组对象进行相同的操作。而当我们需要添加一个新的操作时，又不希望去修改原本的对象结构，因为这样做很容易引入新的错误，势必会导致系统不稳定。这个时候，我们可以考虑使用访问者模式（Visitor Pattern）来解决这个问题。

什么是Visitor模式

在C#中，访问者模式是一种行为型设计模式，它允许你对不同类型的对象结构中的元素添加新的操作，而不用改变这些元素的类。

访问者模式定义了两个类：Visitor和Element。Visitor是所有访问者的基类。它声明了一些Visit方法，每个方法对应了Element的一个派生类。

在Visitor模式中，元素被声明为抽象的或者基于接口的，该元素包含接受操作的接口，这样所有的元素共享一个accept()方法。

当一个对象结构中的元素被访问时，访问者对象通过调用适当的访问者方法，去做与元素的操作，从而实现了两个对象之间松耦合。

为什么需要Visitor模式

我们来看一个例子：假设我们有一个对象结构，这个对象结构由三个类组成：Employee, Manager和CEO。这其中，Employee是一个基类，Manager和CEO派生于Employee。该对象结构定义好了，我们需要对其中每个对象进行操作。

首先，我们可以在每个Employee的派生类中定义一个方法，来执行员工相应的操作。但是这种情况下我们很难统一维护整个对象结构，因为我们每新增一个派生类的时候，都必须修改已有类，这样会对代码的可扩展性造成负面影响。另外，我们还容易因为修改已有类而引入新的错误。

另一种方式是：我们将操作逻辑提取到一个独立的类Visitor中，每个访问员工对象的方法都被转移到了访问者中。它不会对对象结构造成任何影响，使得在不修改已有代码的情况下，通过添加一个新的操作，我们可以轻易地扩展整个中对象结构。

接下来，我们将使用Visitor模式的实例来更好地说明Visitor模式的作用。

示例1：管理动态类型（动态调用）

来看一个实例，假设我们有一个代码库的API，我们想对代码库中的变量、类型和方法进行动态分析。这里，我们可以使用Reflection.Emit类库动态加载和编译C#脚本，并且使用动态绑定来获取类型和方法，以便我们能够调用代码库中尚未知道的类型和方法。我们需要分别对Type、Method以及Variable进行处理。让我们来看一下对于代码分析的实现。

定义一个抽象的元素Element类，包括以下代码：

abstract class Element
{
    public abstract void Accept(Visitor v);
}

每个Element类型都有一个Accept()方法，把自己作为参数传递给它，以便访问者能够进行相应的操作。

实现一个Type类，代码如下：

class TypeElement : Element
{
    public override void Accept(Visitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }

    public string Name { get; set; }
}

Type同样有一个Accept()方法，将自己参数传递给访问者。

为了进一步细化我们的实现，为Method和Variable添加相应的方法。代码如下：

class MethodElement : Element
{
    public override void Accept(Visitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }

    public string Name { get; set; }
}

class VarElement : Element
{
    public override void Accept(Visitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }

    public string Name { get; set; }
}

现在，我们需要编写Visitor类，它包含访问Element和派生类的方法。代码如下：

class Visitor
{
    public void Visit(TypeElement t)
    {
        Console.WriteLine("Type: {0}", t.Name);
    }

    public void Visit(MethodElement m)
    {
        Console.WriteLine("Method: {0}", m.Name);
    }

    public void Visit(VarElement v)
    {
        Console.WriteLine("Variable: {0}", v.Name);
    }
}

现在，我们就可以使用这些类对代码库进行动态分析。假设我们有一个代码库，其中包含以下内容：

class Person
{
    public int Age { get; set; }

    public void DoSomething()
    {
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var myType = new TypeElement { Name = typeof(Person).FullName };
        var myMethod = new MethodElement { Name = typeof(Person).GetMethod("DoSomething").Name };
        var myVar = new VarElement { Name = "Age" };

        var v = new Visitor();

        myType.Accept(v);
        myMethod.Accept(v);
        myVar.Accept(v);
    }
}

我们通过反射获取了Person的Type、Method和Variable，然后依次将他们作为参数传递给访问者。Visitor就会去调用相应的Visit方法，并输出结果：

Type: ConsoleApp1.Person
Method: DoSomething
Variable: Age

示例2：使用Visitor转换XML

在这个例子中，我们将使用访问者模式来将XML文件转换为HTML字符串。XML文件将表示一个库存列表，其中可能包含以下几个节点：Products, Product, Name, Type和Price。

首先，我们定义一个抽象的Element类：

abstract class XmlElement
{
    public abstract void Accept(XmlVisitor v);
}

与前面不同的是，这里的Accept方法要传递一个XmlVisitor对象。然后我们为每个节点类型定义类。

class ProductsElement : XmlElement
{
    List<ProductElement> products = new List<ProductElement>();

    public void Add(ProductElement d)
    {
        products.Add(d);
    }

    public override void Accept(XmlVisitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }

    public IEnumerable<ProductElement> GetProducts()
    {
        return products;
    }
}

class ProductElement : XmlElement
{
    public string Name { get; set; }
    public string Type { get; set; }
    public string Price { get; set; }

    public override void Accept(XmlVisitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }
}

class NameElement : XmlElement
{
    public string Name { get; set; }

    public override void Accept(XmlVisitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }
}

class TypeElement : XmlElement
{
    public string Type { get; set; }

    public override void Accept(XmlVisitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }
}

class PriceElement : XmlElement
{
    public string Price { get; set; }

    public override void Accept(XmlVisitor v)
    {
        v.Visit(this);
    }
}

然后创建Visitor：

class XmlVisitor
{
    StringBuilder sb;

    public string Result { get { return sb.ToString(); } }

    public XmlVisitor()
    {
        sb = new StringBuilder();
    }

    public void Visit(ProductsElement p)
    {
        sb.AppendLine("<ul>");
        foreach (var d in p.GetProducts())
        {
            d.Accept(this);
        }
        sb.AppendLine("</ul>");
    }

    public void Visit(ProductElement p)
    {
        sb.AppendLine("<li>");
        sb.AppendLine($"<span>{p.Name}</span>");
        sb.AppendLine($"<span>{p.Type}</span>");
        sb.AppendLine($"<span>{p.Price}</span>");
        sb.AppendLine("</li>");
    }

    public void Visit(NameElement n)
    {
        sb.AppendLine($"<span>{n.Name}</span>");
    }

    public void Visit(TypeElement t)
    {
        sb.AppendLine($"<span>{t.Type}</span>");
    }

    public void Visit(PriceElement p)
    {
        sb.AppendLine($"<span>{p.Price}</span>");
    }
}

最后，我们创建一个XmlParser类，用于解析XML文件并生成对象结构：

class XmlParser
{
    public ProductsElement Parse(string xml)
    {
        var products = new ProductsElement();//伪代码
        return products;
    }
}

现在我们就可以像下面这样，正确解析XML并生成HTML了：

string xmlString = @"
    <products>
        <product>
            <name>Product 1</name>
            <type>Type 1</type>
            <price>10.00</price>
        </product>
        <product>
            <name>Product 2</name>
            <type>Type 2</type>
            <price>20.00</price>
        </product>
    </products>";

var parser = new XmlParser();
var products = parser.Parse(xmlString);
var htmlVisitor = new XmlVisitor();
products.Accept(htmlVisitor);
Console.WriteLine(htmlVisitor.Result);

输出结果如下：

<ul>
    <li>
        <span>Product 1</span>
        <span>Type 1</span>
        <span>10.00</span>
    </li>
    <li>
        <span>Product 2</span>
        <span>Type 2</span>
        <span>20.00</span>
    </li>
</ul>

总结

访问者模式将操作（即Visitor）从被操作对象中抽离开来，让其自成一体，并根据Element继承结构进行分配。使用访问者模式，我们可以通过派生新的类（具体的访问者），实现对元素结构的新增操作。然而，如果我们在要求解析每个新的XML时，每次都要添加一个新的类，这可能会导致代码的膨胀。

因此，对于一些真正的大型项目，我们可能还要考虑其它的结构化数据访问和序列化技术，例如XPath、XML DOM、JSON序列化等。