在之前的命令模式中，我们可以保存所有的对系统的状态修改的命令，通过按顺序执行命令的方式，使得系统能够回滚到之前的任何一个时点，这种回滚是累积式的。
但是在某些情况下，我们并不关心这种“回放”，我们只关心如何将系统回滚到特定的某一个状态即可。备忘录模式非常像快照，我们给系统在某一时刻进行拍照，保存其所以需要的状态，从而在后续某个需要的时间点可以进行恢复。
▲ 图片来自 https://refactoring.guru/design-patterns/memento
以前面在讨论命令模式的银行账户的例子来看，我们需要保存的状态为银行账户的余额，所以需要将资金字段balance保存起来，但是这里有个问题，资金应该是银行账户BankAccount的内部字段，不应该提供给外部直接访问，因为这样会破坏封装性，但是要保存快照就必须要能访问到这个私有字段。一个解决方法是，使用内部类来实现，当然一些编程语言并不支持内部类，比如PHP。下面就来看看具体的实现。
备忘录模式的简单实现
回顾一下之前的BankAccount模型，基本实现如下：
public class BankAccount
{
private int balance;
public BankAccount(int bal)
{
balance = bal;
}
public override string ToString()
{
return $"balance:{balance}";
}
}它包含了一个私有字段表示账户余额，和一个初始化余额的构造函数。现在需要实现存款Deposit方法，跟之前在命令模式里的返回void不同，这里返回一个Memento对象。
public Memento Deposit(int amount)
{
balance += amount;
return new Memento(balance);
}Memento对象在后面可以用来将账户恢复到之前的某一个状态。
public void Restore(Memento m)
{
balance = m.Balance;
}Memento对象是一个非常简单的，只是用来存储数据的只读对象，如下：
public class Memento
{
public int Balance { get; }
public Memento(int bal)
{
Balance = bal;
}
}使用如下：
BankAccount ba = new BankAccount(100);
var m1 = ba.Deposit(50);
var m2 = ba.Deposit(25);
Console.WriteLine(ba);// 175
ba.Restore(m1); // 恢复至m1快照
Console.WriteLine(ba); //150
ba.Restore(m2); //恢复至m2快照
Console.WriteLine(ba); //175这个实现已经足够，但仍然存在一些问题，比如无法恢复至状态的初始化状态，因为构造函数无法带有返回值，当然可以使用out关键字，但是很丑陋。
实现撤销与重做
如果我们保存BankAccount的每一次变更后的操作结果会怎么样？跟之前命令模式中用集合来保存命令一样，我们也可以使用这种方式来实现撤销Undo和重做Redo。在BankAccount中，可以保存每一次修改后的Memento对象。
public class BankAccount
{
private int balance;
private List<Memento> changes = new List<Memento>();
private int current;
public BankAccount(int bal)
{
balance = bal;
changes.Add(new Memento(bal));
}
}可以看到，在构造函数中，对于初始值的状态，也进行了保存，这就解决了前面无法保存初始状态的问题。假如有什么问题需要恢复Reset到出厂设置，就可以用这里的状态来进行恢复。在BankAccount里，新增加了一个current字段，用来记录最新的快照在快照记录集changes里面的位置，为什么要加这个呢？难道最新的current不是change的数量减1吗？当然在撤销Undo或者回滚操作时是这样的，但是如果要执行重做Redo操作，则必须要标记一下最后的操作。
现在，修改一下Deposit方法如下：
public Memento Deposit(int amount)
{
balance += amount;
var m = new Memento(balance);
changes.Add(m);
current++;
return m;
}当调用存款操作时，将存款后的状态保存到了changes中，并且更新了当前最新的位置current，最后返会最新的Memento状态。根据Memento进行恢复的方法如下：
public void Restore(Memento m)
{
if (m != null)
{
balance = m.Balance;
changes.Add(m);
current = changes.Count - 1;
}
}在Restore方法中，首先判断快照是否有效，如果有效，将状态恢复到快照中保存的状态，同时，也需要将快照加入到最新的修改中。
接下来实现撤销操作Undo：
public Memento Undo()
{
if (current > 0)
{
var m = changes[--current];
balance = m.Balance;
return m;
}
return null;
}如果当前位置大于0，则取前一个快照，然后将前一个快照的状态赋值给当前状态。如果当前已经是初始状态，则返回null，这就是在Restore里面需要判断是否为null的原因。
重做Redo的实现如下：
public Memento Redo()
{
if (current + 1 < changes.Count)
{
var m = changes[++current];
balance = m.Balance;
return m;
}
return null;
}只有当前做过撤销Undo操作，才能执行重做Redo，所以首先要判断current的位置，只有不是最新的才能执行操作。重做就是获取当前快照的后一个快照来执行回复操作。
使用如下：
BankAccount ba = new BankAccount(100);
ba.Deposit(50);
ba.Deposit(25);
Console.WriteLine(ba);
ba.Undo();
Console.WriteLine($"Undo 1:{ba}");
ba.Undo();
Console.WriteLine($"Undo 2:{ba}");
ba.Redo();
Console.WriteLine($"Redo 2:{ba}");输出结果如下：
balance:175
Undo 1:balance:150
Undo 2:balance:100
Redo 2:balance:150以上实现比较完美，在实际中，为了减少内存占用或者提供性能，撤销操作的步骤数目可能是有限制的，比如只能回退30步。另外，对象还可以提供是否能够回退以及是否能够重做，这个只需要添加两个只读属性，属性里判断当前的位置current跟列表的个数即可，这种提示可以用在UI界面上来对撤销和重做图标进行是否能够操作的显示，比如处于初始状态没操作过，那不能撤销，则图标就变灰。
上面的代码中，从功能看已经能够完美满足需求。但从设计模式的准则来看，仍然有值的改进的地方，比如撤销和重做这个操作，我们不应该放在BankAccount中，这些快照状态我们也不应该保存在BankAccount中，BankAccount应该只包含账户的存取款相关逻辑，不应该包含撤销Undo和重做Redo这些，这明显违反了单一职责原则。另外对于这些快照的保存，我们应该提供扩展，比如不只可以保存到内存中，也可以保存到文本文件中等等。另外，快照我们还希望能够保存一些额外的信息，比如快照时间等等。
改进
改进的地方有两个点，一是将快照对象抽象出来，使得具体实现可以扩展，二是将快照的保存、撤销以及重做操作从BankAccount中提取出来，封装到单独的类中，使得其符合单一职责原则。
首先，定义一个IMemento接口，他包含获取实际的Memento对象，获取该快照的产生时间，以及快照名称。
public interface IMemento
{
Memento GetMemento();
string GetName();
DateTime GetDate();
}然后定义一个具体的快照首先ConcreteMemento：
public class ConcreteMemento : IMemento
{
private Memento menento;
private DateTime date;
public ConcreteMemento(Memento m)
{
menento = new Memento(m.Balance);
date = DateTime.Now;
}
public DateTime GetDate()
{
return date;
}
public Memento GetMemento()
{
return menento;
}
public string GetName()
{
return $"date: {date}/ balance: {menento.Balance}";
}
}可以看到，在具体的快照类里，我们实现了三个方法，实现了三个方法返回需要的值，这里也可以写为属性。Memento跟之前的结构一样，里面只有一个字段Balance。
接下来，新建一个Caretaker类，用来保存快照以及协调BankAccount实现撤销与重做操作。
public class Caretaker
{
private List<IMemento> mementos = new List<IMemento>();
private BankAccount account;
private int current;
public Caretaker(BankAccount bankAccount)
{
account = bankAccount;
this.mementos.Add(this.account.CreateSnapShot());
}
public void BackUp()
{
Console.WriteLine("Caretaker: Saving Account's state...");
this.mementos.Add(this.account.CreateSnapShot());
current++;
}
}可以看到，在这个类的构造函数中，我们传入了需要管理的BankAccount对象，这应该是一种“组合模式”。在构造函数中，通过调用bankAccount对象的CreateSnapShot方法，过保存了BankAccount的快照状态。并将其添加到了mementos快照列表中。另外Caretaker提供了表示当前快照的current方法，这个跟之前的用法相似。Caretaker里面的BackUp方法，用来保存BankAccount对象的最新状态，这个需要主动调用。
接下来实现Undo和Redo方法，参照之前的实现，非常简单：
public void Undo()
{
if (current > 0)
{
var m = mementos[--current];
account.Restore(m);
Console.WriteLine("Caretaker: Restoring state to: " + m.GetName());
}
}
public void Redo()
{
if (current + 1 < mementos.Count)
{
var m = mementos[++current];
account.Restore(m);
Console.WriteLine("Caretaker: Redo state to: " + m.GetName());
}
}为配合新的Caretaker，并从BankAccount中移除对于Undo和Redo的操作，BankAccount类需要做相应的修改，修改如下：
public class BankAccount
{
private int balance;
public BankAccount(int bal)
{
balance = bal;
}
public void Deposit(int amount)
{
balance += amount;
}
public void Restore(IMemento m)
{
if (m != null)
{
balance = m.GetMemento().Balance;
}
}
public IMemento CreateSnapShot()
{
return new ConcreteMemento(new Memento(balance));
}
public override string ToString()
{
return $"balance:{balance}";
}
}可以看到，在Deposit中，没有之前的保存快照方法了，Restore方法的参数变味了IMemento接口，并提供了CreateSnapShot获取当前最新快照的方法。
现在，使用方法如下：
BankAccount bav2 = new BankAccount(100);
Caretaker c = new Caretaker(bav2);
Console.WriteLine(bav2);
bav2.Deposit(50);
c.BackUp();
Console.WriteLine(bav2);
bav2.Deposit(25);
c.BackUp();
Console.WriteLine(bav2);
c.Undo();
Console.WriteLine($"Undo 1:{bav2}");
c.Undo();
Console.WriteLine($"Undo 2:{bav2}");
c.Redo();
Console.WriteLine($"Redo 2:{bav2}");输出结果跟上面一样，为：
balance:100
balance:150
balance:175
Undo 1:balance:150
Undo 2:balance:100
Redo 2:balance:150在以上的实现中，可以看到，跟之前简单版本里直接将快照操作写在对象的操作方法比如Deposit、Restore里不同，我们需要手动显示调用Backup方法，后续的Undo和Redo才能实现，因为我们在Caretaker中无法访问BankAccount的具体实现细节。从另外一个角度来看，备份和撤销重做操作就应该是在一起，所以这个改进方案更加合理。
总结
备忘录模式就是处理如何将系统的当前状态以快照形式保存，并在将来某一时刻能够恢复至之前的状态。快照中保存了系统能够恢复到之前状态的所有信息。如果能够保存系统操作的每一次快照，就能够实现诸如撤销(Undo)和重做(Redo)的功能，这个功能在常见的文本编辑器，比如Word、Excel，以及图形处理软件比如PhotoShop中非常常见。
本文介绍了备忘录模式的简单实现，即在对象中用列表直接保存所有的对对象进行修改之后的状态，然后直接提供撤销和重做的实现，以将从之前保存的某个快照中恢复。这种方式简单，但是不符合单一职责原则，所以在改进的实现中，我们分离了快照的具体实现，以及从对象中抽离了快照的保存，撤销和重做到单独的类中，使得结构更加清晰明了。
参考资料