命令模式实现撤销与重做功能：从理论到实践的完整解析

引言：为什么我们需要命令模式？

在现代软件开发中，用户操作的可逆性（Undo/Redo）已经成为许多应用程序的核心特性之一。无论是文字处理软件、图像编辑工具还是游戏系统，用户都期望能“撤回”错误的操作或“重做”被撤销的动作。这种需求看似简单，但实现起来却涉及复杂的状态管理与行为抽象。

传统的做法可能是直接记录每次操作前后的数据状态，但这会导致代码耦合严重、难以维护，并且在复杂场景下容易出现内存泄漏或逻辑混乱。而命令模式（Command Pattern）正是为了解决这类问题而诞生的设计模式之一。它通过将操作封装成对象的方式，让调用者与执行者解耦，从而自然地支持撤销和重做功能。

本文将以一个真实可用的示例——一个简单的文本编辑器为例，深入讲解如何利用命令模式构建可靠的 Undo/Redo 栈机制。我们将从基础概念出发，逐步扩展到多级撤销、事务控制、性能优化等高级话题，并提供完整的 Java 实现代码供参考。

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一、什么是命令模式？

定义

命令模式是一种行为型设计模式，其核心思想是：

将请求封装为一个对象，从而使你可以用不同的请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。

换句话说，每个操作都被包装成一个独立的对象（即“命令”），这个对象知道如何执行该操作，同时也知道如何撤销它。

关键角色

角色	职责
Command（命令接口）	定义 execute() 和 undo() 方法，所有具体命令必须实现这两个方法
ConcreteCommand（具体命令类）	实现 Command 接口，持有接收者（Receiver）并定义具体的执行逻辑
Receiver（接收者）	真正执行业务逻辑的对象，比如 TextEditor
Invoker（调用者）	负责触发命令执行，通常是一个按钮、菜单项或快捷键绑定器
Client（客户端）	创建命令对象并设置其接收者，然后交给 Invoker 执行

这种结构使得我们可以轻松地添加新命令类型，而不影响现有代码，符合开闭原则（OCP）。

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二、基本实现：文本编辑器的命令模式模型

我们以一个最简单的文本编辑器为例来演示整个流程：

// Receiver: 文本编辑器
public class TextEditor {
    private String content = "";

    public void insert(String text) {
        this.content += text;
        System.out.println("Inserted: " + text);
    }

    public void delete(int length) {
        if (length > content.length()) {
            length = content.length();
        }
        this.content = this.content.substring(0, content.length() - length);
        System.out.println("Deleted last " + length + " chars.");
    }

    public String getContent() {
        return content;
    }

    // 撤销时恢复原内容
    public void restoreContent(String oldContent) {
        this.content = oldContent;
    }
}

接下来定义命令接口：

// Command 接口
public interface Command {
    void execute();
    void undo();
}

现在创建两个具体命令类：

// 插入命令
public class InsertCommand implements Command {
    private TextEditor editor;
    private String text;
    private String previousContent;

    public InsertCommand(TextEditor editor, String text) {
        this.editor = editor;
        this.text = text;
    }

    @Override
    public void execute() {
        previousContent = editor.getContent();
        editor.insert(text);
    }

    @Override
    public void undo() {
        editor.restoreContent(previousContent);
    }
}

// 删除命令
public class DeleteCommand implements Command {
    private TextEditor editor;
    private int length;
    private String previousContent;

    public DeleteCommand(TextEditor editor, int length) {
        this.editor = editor;
        this.length = length;
    }

    @Override
    public void execute() {
        previousContent = editor.getContent();
        editor.delete(length);
    }

    @Override
    public void undo() {
        editor.restoreContent(previousContent);
    }
}

最后，实现调用者和撤销栈管理器：

import java.util.Stack;

public class CommandInvoker {
    private Stack<Command> undoStack = new Stack<>();
    private Stack<Command> redoStack = new Stack<>();

    public void execute(Command command) {
        command.execute();
        undoStack.push(command);
        redoStack.clear(); // 清空 redo 栈，因为新的操作会覆盖之前的 redo 记录
    }

    public void undo() {
        if (!undoStack.isEmpty()) {
            Command command = undoStack.pop();
            command.undo();
            redoStack.push(command);
        } else {
            System.out.println("Nothing to undo.");
        }
    }

    public void redo() {
        if (!redoStack.isEmpty()) {
            Command command = redoStack.pop();
            command.execute();
            undoStack.push(command);
        } else {
            System.out.println("Nothing to redo.");
        }
    }
}

测试一下：

public class TestUndoRedo {
    public static void main(String[] args) {
        TextEditor editor = new TextEditor();
        CommandInvoker invoker = new CommandInvoker();

        invoker.execute(new InsertCommand(editor, "Hello "));
        invoker.execute(new InsertCommand(editor, "World!"));
        System.out.println("Current Content: " + editor.getContent());

        invoker.undo(); // 删除 "World!"
        System.out.println("After Undo: " + editor.getContent());

        invoker.redo(); // 再次插入 "World!"
        System.out.println("After Redo: " + editor.getContent());
    }
}

输出结果：

Inserted: Hello 
Inserted: World!
Current Content: Hello World!
Deleted last 6 chars.
After Undo: Hello 
Inserted: World!
After Redo: Hello World!

✅ 成功实现了基本的 Undo/Redo 功能！

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三、进阶功能：支持多级撤销与批量事务

上述例子虽然可行，但在实际项目中可能遇到以下问题：

1. 用户连续多次点击 Undo，可能导致堆栈溢出或逻辑混乱；
2. 大量小操作累积导致 Undo 栈过深，影响性能；
3. 需要支持“合并多个操作为一个事务”，例如一次拖拽多个文件。

解决方案：引入事务（Transaction）

我们可以设计一个 CompositeCommand 类，用于组合多个命令作为一个原子单元：

public class CompositeCommand implements Command {
    private List<Command> commands = new ArrayList<>();

    public void add(Command command) {
        commands.add(command);
    }

    @Override
    public void execute() {
        for (Command cmd : commands) {
            cmd.execute();
        }
    }

    @Override
    public void undo() {
        for (int i = commands.size() - 1; i >= 0; i--) {
            commands.get(i).undo();
        }
    }
}

使用方式如下：

CompositeCommand transaction = new CompositeCommand();
transaction.add(new InsertCommand(editor, "A"));
transaction.add(new InsertCommand(editor, "B"));
transaction.add(new DeleteCommand(editor, 1));

invoker.execute(transaction); // 整体撤销或重做

这样就能避免频繁压入单个命令，减少栈深度，提高用户体验。

性能优化建议

优化点	描述	建议做法
最大历史记录数限制	防止内存占用过高	设置最大 Undo 步数（如 50），超出则弹出最早命令
命令去重	同一操作重复执行无意义	使用 hashcode 判断是否相同命令，若相同则跳过或合并
异步执行	避免 UI 卡顿	对于耗时命令（如文件写入），可在后台线程执行，完成后通知 UI 更新

例如，增加最大容量控制：

public class SmartCommandInvoker extends CommandInvoker {
    private final int maxHistorySize;

    public SmartCommandInvoker(int maxHistorySize) {
        this.maxHistorySize = maxHistorySize;
    }

    @Override
    public void execute(Command command) {
        super.execute(command);
        trimStack(undoStack, maxHistorySize);
        trimStack(redoStack, maxHistorySize);
    }

    private void trimStack(Stack<Command> stack, int maxSize) {
        while (stack.size() > maxSize) {
            stack.remove(0); // 移除最早的命令
        }
    }
}

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四、实战应用：图形界面中的 Undo/Redo 支持

在 GUI 应用中（如 Photoshop、VS Code），Undo/Redo 不仅要响应用户的键盘快捷键（Ctrl+Z / Ctrl+Y），还要与菜单栏联动。

我们可以结合事件监听机制来增强交互体验：

public class UiController {
    private CommandInvoker invoker;
    private JTextArea textArea;

    public UiController(CommandInvoker invoker, JTextArea textArea) {
        this.invoker = invoker;
        this.textArea = textArea;

        // 注册快捷键监听器（伪代码）
        registerShortcut("Ctrl+Z", () -> invoker.undo());
        registerShortcut("Ctrl+Y", () -> invoker.redo());

        // 监听文本变化，自动记录命令
        textArea.getDocument().addDocumentListener(new DocumentListener() {
            @Override
            public void insertUpdate(DocumentEvent e) {
                String insertedText = e.getDocument().getText(e.getOffset(), e.getLength());
                invoker.execute(new InsertCommand(editor, insertedText));
            }

            @Override
            public void removeUpdate(DocumentEvent e) {
                invoker.execute(new DeleteCommand(editor, e.getLength()));
            }

            @Override
            public void changedUpdate(DocumentEvent e) {}
        });
    }
}

此时，无论用户是通过键盘输入、粘贴、删除还是菜单操作，都能自动纳入 Undo/Redo 流程中。

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五、常见陷阱与最佳实践总结

陷阱	原因	解决方案
命令未正确实现 undo()	忘记保存原始状态	在 execute 中保存旧值，在 undo 中恢复
撤销栈未及时清理	导致内存泄露或卡顿	设置最大历史数量，定期清理
命令对象生命周期管理不当	如单例模式下的状态污染	每次执行都创建新的命令实例
并发环境下命令冲突	多线程同时修改同一个命令栈	使用 synchronized 或 ReentrantLock 保护栈访问
缺少异常处理	某些命令失败后无法还原	try-catch 包裹 execute，失败时标记状态

✅ 最佳实践清单：

• 所有命令必须显式实现 execute() 和 undo()；
• 使用组合模式聚合多个命令形成事务；
• 控制 Undo/Redo 栈大小，防止无限增长；
• 提供可视化反馈（如菜单启用/禁用状态）；
• 日志记录重要命令，便于调试；
• 支持跨模块 Undo（如数据库事务、文件保存等）；

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六、结语：命令模式的价值不止于 Undo/Redo

命令模式不仅仅是为了实现撤销功能，它的真正价值在于：

• 解耦：调用者与执行者完全分离，便于测试和重构；
• 扩展性强：新增命令无需改动原有逻辑；
• 可追踪性：每一步操作都有迹可循，适合审计；
• 支持宏录制：可以将一系列命令序列化为脚本；
• 分布式支持：命令对象可序列化传输，适用于远程调用（如 RPC）；

正如《设计模式》作者所言：“好的设计不是为了满足当前需求，而是为了应对未来的变化。” 命令模式正是这样一个优雅而强大的工具，值得每一位开发者掌握。

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如果你正在构建一款需要灵活操作历史的应用程序，不妨尝试将命令模式融入你的架构中。你会发现，原本复杂的 Undo/Redo 逻辑变得清晰可控，甚至还能顺带支持“操作录像”、“自动化脚本”等功能 —— 这才是真正的工程智慧。