从招式与内功谈起——设计模式概述（一）

关于金庸小说中到底是招式重要还是内功重要的争论从未停止，我们在这里并不分析张无忌的九阳神功和令狐冲的独孤九剑到底哪个更厉害，但我想每个武林人士梦寐以求的应该是既有淋漓的招式又有深厚的内功。看到这里大家可能会产生疑问了？搞什么，讨论什么招式与内功，我只是个软件开发人员。别急，正因为你是软件开发人员我才跟你谈这个，因为我们的软件开发技术也包括一些招式和内功：Java、C\#、C++等编程语言，Eclipse、Visual Studio等开发工具，JSP、[ASP.net][]等开发技术，Struts、Hibernate、JBPM等框架技术，所有这些我们都可以认为是招式；而数据结构、算法、设计模式、重构、软件工程等则为内功。招式可以很快学会，但是内功的修炼需要更长的时间。我想每一位软件开发人员也都希望成为一名兼具淋漓招式和深厚内功的“上乘”软件工程师，而对设计模式的学习与领悟将会让你“内功”大增，再结合你日益纯熟的“招式”，你的软件开发“功力”一定会达到一个新的境界。既然这样，还等什么，赶快行动吧。下面就让我们正式踏上神奇而又美妙的设计模式之旅。

1 设计模式从何而来

  在介绍设计模式的起源之前，我们先要了解一下模式的诞生与发展。与很多软件工程技术一样，模式起源于建筑领域，毕竟与只有几十年历史的软件工程相比，已经拥有几千年沉淀的建筑工程有太多值得学习和借鉴的地方。
  那么模式是如何诞生的？让我们先来认识一个人——Christopher Alexander（克里斯托弗.亚历山大），哈佛大学建筑学博士、美国加州大学伯克利分校建筑学教授、加州大学伯克利分校环境结构研究所所长、美国艺术和科学院院士……头衔真多，![20190312151637135.gif][]，不过他还有一个“昵称”——模式之父(The father of patterns)。Christopher Alexander博士及其研究团队用了约20年的时间，对住宅和周边环境进行了大量的调查研究和资料收集工作，**发现人们对舒适住宅和城市环境存在一些共同的认同规律**，Christopher Alexander在著作*A Pattern Language: Towns, Buildings, Construction*中把这些认同规律归纳为253个**模式**，对每一个模式(Pattern)都从Context（前提条件）、Theme或Problem（目标问题）、Solution（解决方案）三个方面进行了描述，并给出了从用户需求分析到建筑环境结构设计直至经典实例的过程模型。
  在Christopher Alexander的另一部经典著作《建筑的永恒之道》中，他给出了关于模式的定义：
  **每个模式都描述了一个在我们的环境中不断出现的问题，然后描述了该问题的解决方案的核心，通过这种方式，我们可以无数次地重用那些已有的成功的解决方案，无须再重复相同的工作。**这个定义可以简单地用一句话表示：

模式是在特定环境下人们解决某类重复出现问题的一套成功或有效的解决方案。【A pattern is a successful or efficient solution to a recurring problem within a context】

  1990年，软件工程界开始关注ChristopherAlexander等在这一住宅、公共建筑与城市规划领域的重大突破。最早将模式的思想引入软件工程方法学的是1991-1992年以“四人组(Gang of Four，简称GoF，分别是**Erich Gamma, Richard Helm, Ralph Johnson****和****John Vlissides**)”自称的四位著名软件工程学者，他们在1994年归纳发表了23种在软件开发中使用频率较高的设计模式，旨在用模式来统一沟通面向对象方法在分析、设计和实现间的鸿沟。
  GoF将模式的概念引入软件工程领域，这标志着软件模式的诞生。软件模式(Software Patterns)是将模式的一般概念应用于软件开发领域，即软件开发的总体指导思路或参照样板。软件模式并非仅限于设计模式，还包括架构模式、分析模式和过程模式等，实际上，**在软件开发生命周期的每一个阶段都存在着一些被认同的模式**。
  软件模式是在软件开发中某些可重现问题的一些有效解决方法，软件模式的基础结构主要由四部分构成，包括问题描述【待解决的问题是什么】、前提条件【在何种环境或约束条件下使用】、解法【如何解决】和效果【有哪些优缺点】，如图1-1所示：

图**1-1 **软件模式基本结构

软件模式与具体的应用领域无关，也就是说无论你从事的是移动应用开发、桌面应用开发、Web应用开发还是嵌入式软件的开发，都可以使用软件模式。
在软件模式中，设计模式是研究最为深入的分支，**设计模式用于在特定的条件下为一些重复出现的软件设计问题提供合理的、有效的解决方案**，它融合了众多专家的设计经验，已经在成千上万的软件中得以应用。1995年，GoF将收集和整理好的23种设计模式汇编成*Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software*【《设计模式：可复用面向对象软件的基础》】一书，该书的出版也标志着设计模式正式成为面向对象(Object Oriented)软件工程的一个重要研究分支。
从1995年至今，无论是在大型API或框架（如JDK、.net Framework等）、轻量级框架（如Struts、Spring、Hibernate、JUnit等）、还是应用软件的开发中，设计模式都得到了广泛的应用。如果你正在从事面向对象开发或正准备从事面向对象开发，无论你是使用Java、C\#、Object-C、[VB.net][]、Smalltalk等纯面向对象编程语言，还是使用C++、PHP、Delphi、JavaScript等可支持面向对象编程的语言，如果你一点设计模式也不懂，我可以毫不夸张的说：你真的out了。

从招式与内功谈起——设计模式概述（二）

1.2 设计模式是什么

   俗话说：站在别人的肩膀上，我们会看得更远。设计模式的出现可以让我们站在前人的肩膀上，通过一些成熟的设计方案来指导新项目的开发和设计，以便于我们开发出具有更好的灵活性和可扩展性，也更易于复用的软件系统。
   设计模式的一般定义如下：

设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结，使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解并且保证代码可靠性。

  狭义的设计模式是指GoF在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中所介绍的23种经典设计模式，不过设计模式并不仅仅只有这23种，随着软件开发技术的发展，越来越多的新模式不断诞生并得以应用。
  设计模式一般包含模式名称、问题、目的、解决方案、效果等组成要素，其中关键要素是模式名称、问题、解决方案和效果。**模式名称****(Pattern Name)**通过一两个词来描述模式的问题、解决方案和效果，以便更好地理解模式并方便开发人员之间的交流，绝大多数模式都是根据其功能或模式结构来命名的（GoF设计模式中没有一个模式用人名命名，![20190312151815441.gif][]）；**问题****(Problem)**描述了应该在何时使用模式，它包含了设计中存在的问题以及问题存在的原因；**解决方案****(Solution)**描述了一个设计模式的组成成分，以及这些组成成分之间的相互关系，各自的职责和协作方式，通常解决方案通过UML类图和核心代码来进行描述；**效果****(Consequences)**描述了模式的优缺点以及在使用模式时应权衡的问题。
  虽然GoF设计模式只有23个，但是它们各具特色，每个模式都为某一个可重复的设计问题提供了一套解决方案。根据它们的用途，设计模式可分为创建型(Creational)，结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种，其中**创建型模式主要用于描述如何创建对象**，**结构型模式主要用于描述如何实现类或对象的组合**，**行为型模式主要用于描述类或对象怎样交互以及怎样分配职责**，在GoF 23种设计模式中包含5种创建型设计模式、7种结构型设计模式和11种行为型设计模式。此外，根据某个模式主要是用于处理类之间的关系还是对象之间的关系，设计模式还可以分为类模式和对象模式。我们经常将两种分类方式结合使用，如单例模式是对象创建型模式，模板方法模式是类行为型模式。
  值得一提的是，有一个设计模式虽然不属于GoF 23种设计模式，但一般在介绍设计模式时都会对它进行说明，它就是简单工厂模式，也许是太“简单”了，GoF并没有把它写到那本经典著作中，不过现在大部分的设计模式书籍都会对它进行专门的介绍。
  表1列出将要介绍的24种设计模式，其中**模式的学习难度**是我个人在多年模式使用和推广过程中的经验总结，仅作参考，**模式的使用频率**来自著名的模式推广和教育网站——[http://www.dofactory.net][http_www.dofactory.net]。

表**1 **常用设计模式一览表

类型	模式名称	学习难度	使用频率
创建型模式 Creational Pattern	单例模式 Singleton Pattern	★☆☆☆☆	★★★★☆
简单工厂模式 Simple Factory Pattern	★★☆☆☆	★★★☆☆
工厂方法模式 Factory Method Pattern	★★☆☆☆	★★★★★
抽象工厂模式 Abstract Factory Pattern	★★★★☆	★★★★★
原型模式 Prototype Pattern	★★★☆☆	★★★☆☆
建造者模式 Builder Pattern	★★★★☆	★★☆☆☆
结构型模式 Structural Pattern	适配器模式 Adapter Pattern	★★☆☆☆	★★★★☆
桥接模式 Bridge Pattern	★★★☆☆	★★★☆☆
组合模式 Composite Pattern	★★★☆☆	★★★★☆
装饰模式 Decorator Pattern	★★★☆☆	★★★☆☆
外观模式 Façade Pattern	★☆☆☆☆	★★★★★
享元模式 Flyweight Pattern	★★★★☆	★☆☆☆☆
代理模式 Proxy Pattern	★★★☆☆	★★★★☆
行为型模式 Behavioral Pattern	职责链模式 Chain of Responsibility Pattern	★★★☆☆	★★☆☆☆
命令模式 Command Pattern	★★★☆☆	★★★★☆
解释器模式 Interpreter Pattern	★★★★★	★☆☆☆☆
迭代器模式 Iterator Pattern	★★★☆☆	★★★★★
中介者模式 Mediator Pattern	★★★☆☆	★★☆☆☆
备忘录模式 Memento Pattern	★★☆☆☆	★★☆☆☆
观察者模式 Observer Pattern	★★★☆☆	★★★★★
状态模式 State Pattern	★★★☆☆	★★★☆☆
策略模式 Strategy Pattern	★☆☆☆☆	★★★★☆
模板方法模式 Template Method Pattern	★★☆☆☆	★★★☆☆
访问者模式 Visitor Pattern	★★★★☆	★☆☆☆☆

从招式与内功谈起——设计模式概述（三）

1.3 设计模式有什么用

下面我们来回答最后一个问题：设计模式到底有什么用？简单来说，设计模式至少有如下几个用途：

  (1) 设计模式来源众多专家的经验和智慧，它们是从许多优秀的软件系统中总结出的成功的、能够实现可维护性复用的设计方案，使用这些方案将可以让我们避免做一些重复性的工作，也许我们冥思苦想得到的一个“自以为很了不起”的设计方案其实就是某一个设计模式。在时间就是金钱的今天，设计模式无疑会为有助于我们提高开发和设计效率，但它不保证一定会提高，![20190312151937116.gif][]。
  (2) 设计模式提供了一套通用的设计词汇和一种通用的形式来方便开发人员之间沟通和交流，使得设计方案更加通俗易懂。交流通常很耗时，任何有助于提高交流效率的东西都可以为我们节省不少时间。无论你使用哪种编程语言，做什么类型的项目，甚至你处于一个国际化的开发团队，当面对同一个设计模式时，你和别人的理解并无二异，因为设计模式是跨语言、跨平台、跨应用、跨国界的，![20190312151937120.gif][]。
  (3) 大部分设计模式都兼顾了系统的可重用性和可扩展性，这使得我们可以更好地重用一些已有的设计方案、功能模块甚至一个完整的软件系统，避免我们经常做一些重复的设计、编写一些重复的代码。此外，随着软件规模的日益增大，软件寿命的日益变长，系统的可维护性和可扩展性也越来越重要，许多设计模式将有助于提高系统的灵活性和可扩展性，让我们在不修改或者少修改现有系统的基础上增加、删除或者替换功能模块。如果一点设计模式都不懂，我想要做到这一点恐怕还是很困难的，![20190312151937123.gif][]。
  (4) 合理使用设计模式并对设计模式的使用情况进行文档化，将有助于别人更快地理解系统。如果某一天因为升职或跳槽等原因，别人接手了你的项目，只要他也懂设计模式，我想他应该能够很快理解你的设计思路和实现方案，让你升职无后患之忧，跳槽也心安理得，何乐而不为呢？![20190312151937127.gif][]。
  (5) 最后一点对初学者很重要，学习设计模式将有助于初学者更加深入地理解面向对象思想，让你知道：如何将代码分散在几个不同的类中？为什么要有“接口”？何谓针对抽象编程？何时不应该使用继承？如果不修改源代码增加新功能？同时还让你能够更好地阅读和理解现有类库（如JDK）与其他系统中的源代码，让你早点脱离面向对象编程的“菜鸟期”，![20190312151937133.gif][]。

1.4 个人观点

   作为设计模式的忠实粉丝和推广人员，在正式学习设计模式之前，我结合多年的模式应用和教育培训经验与大家分享几点个人的看法，以作参考：
   (1) 掌握设计模式并不是件很难的事情，关键在于多思考，多实践，不要听到人家说懂几个设计模式就很“牛”，只要用心学习，设计模式也就那么回事，你也可以很“牛”的，一定要有信心。
  (2) 在学习每一个设计模式时至少应该掌握如下几点：这个设计模式的意图是什么，它要解决一个什么问题，什么时候可以使用它；它是如何解决的，掌握它的结构图，记住它的关键代码；能够想到至少两个它的应用实例，一个生活中的，一个软件中的；这个模式的优缺点是什么，在使用时要注意什么。当你能够回答上述所有问题时，恭喜你，你了解一个设计模式了，至于掌握它，那就在开发中去使用吧，用多了你自然就掌握了。
  (3) “如果想体验一下运用模式的感觉，那么最好的方法就是运用它们”。正如在本章最开始所说的，设计模式是“内功心法”，它还是要与“实战招式”相结合才能够相得益彰。学习设计模式的目的在于应用，如果不懂如何使用一个设计模式，而只是学过，能够说出它的用途，绘制它的结构，充其量也只能说你了解这个模式，严格一点说：不会在开发中灵活运用一个模式基本上等于没学。所以一定要做到：少说多做。
  (4) 千万不要滥用模式，不要试图在一个系统中用上所有的模式，也许有这样的系统，但至少目前我没有碰到过。每个模式都有自己的适用场景，不能为了使用模式而使用模式？【怎么理解，大家自己思考，![20190312151937136.gif][]】，滥用模式不如不用模式，因为滥用的结果得不到“艺术品”一样的软件，很有可能是一堆垃圾代码。
  (5) 如果将设计模式比喻成“三十六计”，那么每一个模式都是一种计策，它为解决某一类问题而诞生，不管这个设计模式的难度如何，使用频率高不高，我建议大家都应该好好学学，多学一个模式也就意味着你多了“一计”，说不定什么时候一不小心就用上了，![20190312151937161.gif][]。因此，模式学习之路上要不怕困难，勇于挑战，有的模式虽然难一点，但反复琢磨，反复研读，应该还是能够征服的。
  (6) 设计模式的“上乘”境界：“手中无模式，心中有模式”。模式使用的最高境界是你已经不知道具体某个设计模式的定义和结构了，但你会灵活自如地选择一种设计方案【其实就是某个设计模式】来解决某个问题，设计模式已经成为你开发技能的一部分，能够手到擒来，“内功”与“招式”已浑然一体，要达到这个境界并不是看完某本书或者开发一两个项目就能够实现的，它需要不断沉淀与积累，所以，对模式的学习不要急于求成。
  (7) 最后一点来自GoF已故成员、我个人最尊敬和崇拜的软件工程大师之一John Vlissides的著作《设计模式沉思录》(Pattern Hatching Design Patterns Applied)：模式从不保证任何东西，它不能保证你一定能够做出可复用的软件，提高你的生产率，更不能保证世界和平，![20190312151937156.gif][]。模式并不能替代人来完成软件系统的创造，它们只不过会给那些缺乏经验但却具备才能和创造力的人带来希望。