重学设计模式（一）概述

川长思鸟来 2023-09-23 22:10 126阅读 0赞

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## 设计模式概述 ##

### 软件设计模式的产生背景 ###

**设计模式**最初并不是出现在软件设计中，而是被用于建筑领域的设计中。

1977年美国著名建筑大师、加利福尼亚大学伯克利分校环境结构中心主任克里斯托夫·亚历山大（Christopher Alexander）在他的著作《建筑模式语言：城镇、建筑、构造》中描述了一些常见的建筑设计问题，并提出了 253 种关于对城镇、邻里、住宅、花园和房间等进行设计的基本模式。

1990年软件工程界开始研讨设计模式的话题，后来召开了多次关于设计模式的研讨会。直到1995 年，艾瑞克·伽马（ErichGamma）、理査德·海尔姆（Richard Helm）、拉尔夫·约翰森（Ralph Johnson）、约翰·威利斯迪斯（John Vlissides）等 4 位作者合作出版了《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书，在此书中收录了 23 个设计模式，这是设计模式领域里程碑的事件，导致了软件设计模式的突破。这 4 位作者在软件开发领域里也以他们的“四人组”（Gang of Four，GoF）著称。

### 软件设计模式的概念 ###

软件设计模式（Software Design Pattern），又称设计模式，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。它描述了在软件设计过程中的一些不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案。也就是说，它是解决特定问题的一系列套路，是前辈们的代码设计经验的总结，具有一定的普遍性，可以反复使用。

### 学习设计模式的必要性 ###

设计模式的本质是面向对象设计原则的实际运用，是对类的封装性、继承性和多态性以及类的关联关系和组合关系的充分理解。

正确使用设计模式具有以下优点：

*  可以提高程序员的**思维能力、编程能力和设计能力**。
 *  使程序设计更加**标准化**、代码编制更加**工程化**，使**软件开发效率**大大提高，从而缩短软件的开发周期。
 *  使设计的代码**可重用性高、可读性强、可靠性高、灵活性好、可维护性强**。

### 设计模式分类 ###

*  **创建型模式**
    
    用于描述**怎样创建对象**，它的主要特点是**将对象的创建与使用分离**。GoF（四人组）书中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等 5 种创建型模式。
 *  **结构型模式**
    
    用于描述**如何将类或对象按某种布局组成更大的结构**，GoF（四人组）书中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。
 *  **行为型模式**
    
    用于描述类或对象之间**怎样相互协作共同完成单个对象无法单独完成的任务，以及怎样分配职责**。GoF（四人组）书中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等 11 种行为型模式。

## UML图 ##

统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是用来设计软件的可视化建模语言。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息。

UML 从目标系统的不同角度出发，定义了**用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图**等 9 种图。

### 类图概述 ###

类图（Class diagram）是显示了模型的静态结构，特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图不显示暂时性的信息。类图是面向对象建模的主要组成部分。

### 类图的作用 ###

*  在软件工程中，类图是一种静态的结构图，描述了系统的类的集合，类的属性和类之间的关系，可以简化了人们对系统的理解；
 *  类图是系统分析和设计阶段的重要产物，是系统编码和测试的重要模型。

### 类图表示法 ###

#### 类的表示方式 ####

在**UML**类图中，类使用包含类名、属性（field） 和方法（method） 且带有分割线的矩形来表示，比如下图表示一个 Employee 类，它包含 name，age 和address 这3个属性，以及 work() 方法。

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属性/方法名称前加的加号和减号表示了这个属性/方法的可见性，UML类图中表示可见性的符号有三种：

*  \+：表示public
 *  \-：表示private
 *  \#：表示protected

属性的完整表示方式是： **可见性 名称 ：类型 \[ = 缺省值\]**

方法的完整表示方式是： **可见性 名称(参数列表) \[ ： 返回类型\]**

**注意：**

1.  中括号中的内容表示是可选的
2.  也有将类型放在变量名前面，返回值类型放在方法名前面

**举个例子：**

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上图Demo类定义了三个方法：

*  method()方法：修饰符为public，没有参数，没有返回值。
 *  method1()方法：修饰符为private，没有参数，返回值类型为String。
 *  method2()方法：修饰符为protected，接收两个参数，第一个参数类型为int，第二个参数类型为String，返回值类型是int。

#### 类与类之间关系的表示方式 ####

关联关系

关联关系是对象之间的一种引用关系，用于表示一类对象与另一类对象之间的联系，如老师和学生、师傅和徒弟、丈夫和妻子等。关联关系是类与类之间最常用的一种关系，分为一般关联关系、聚合关系和组合关系。我们先介绍一般关联。

关联又可以分为**单向关联，双向关联，自关联**。

**1，单向关联**

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在UML类图中单向关联用一个带箭头的实线表示。上图表示每个顾客都有一个地址，这通过让 Customer 类持有一个类型为 Address 的成员变量类实现。

**2，双向关联**

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从上图中我们很容易看出，所谓的双向关联就是双方各自持有对方类型的成员变量。

在UML类图中，双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个List<Product>，表示一个顾客可以购买多个商品；在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被哪个顾客所购买。

**3，自关联**

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自关联在UML类图中用一个带有箭头且指向自身的线表示。上图的意思就是Node类包含类型为Node的成员变量，也就是**自己包含自己**。

聚合关系

聚合关系是关联关系的一种，**是强关联关系，是整体和部分之间的关系**。

聚合关系也是通过成员对象来实现的，其中成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象而独立存在。例如，学校与老师的关系，学校包含老师，但如果学校停办了，老师依然存在。

在 UML 类图中，**聚合关系可以用带空心菱形的实线来表示，菱形指向整体**。下图所示是大学和教师的关系图：

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组合关系

组合表示类之间的整体与部分的关系，但它是一种更强烈的聚合关系。

在组合关系中，**整体对象可以控制部分对象的生命周期，一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在，部分对象不能脱离整体对象而存在**。例如，头和嘴的关系，没有了头，嘴也就不存在了。

在 UML 类图中，**组合关系用带实心菱形的实线来表示，菱形指向整体**。下图所示是头和嘴的关系图：

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依赖关系

依赖关系是一种使用关系，它是对象之间**耦合度最弱**的一种关联方式，是**临时性的关联**。在代码中，某个类的方法通过局部变量、方法的参数或者对静态方法的调用来访问另一个类（被依赖类）中的某些方法来完成一些职责。

在 UML 类图中，依赖关系使用带箭头的虚线来表示，箭头从使用类指向被依赖的类。下图所示是司机和汽车的关系图，司机驾驶汽车：

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继承关系

继承关系是对象之间**耦合度最大**的一种关系，表示一般与特殊的关系，是父类与子类之间的关系，是一种继承关系。

在 UML 类图中，**泛化关系用带空心三角箭头的实线来表示，箭头从子类指向父类**。在代码实现时，使用面向对象的继承机制来实现泛化关系。

例如，Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类，其类图如下图所示：

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实现关系

实现关系是接口与实现类之间的关系。在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的所有的抽象操作。

在 UML 类图中，**实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示，箭头从实现类指向接口**。例如，汽车和船实现了交通工具，其类图如图 9 所示。

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## 软件设计原则 ##

在软件开发中，为了提高软件系统的可维护性和可复用性，增加软件的可扩展性和灵活性，程序员要尽量根据6条原则来开发程序，从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本。

### 开闭原则 ###

> 对扩展开放，对修改关闭。

在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是**为了使程序的扩展性好，易于维护和升级**。

想要达到这样的效果，我们需要**使用接口和抽象类**。

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

下面以**搜狗输入法**的皮肤为例介绍开闭原则的应用。

#### 例子：搜狗输入法的皮肤设计 ####

分析：搜狗输入法的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin）是其子类。

用户窗体可以**根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码**，所以它是满足开闭原则的。

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### 里氏代换原则 ###

> 里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。

里氏代换原则：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。

通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，**子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法**。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子。

#### 例子：正方形不是长方形 ####

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

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代码如下：

**长方形类（Rectangle）：**

@Data
    public class Rectangle {
        private double length;
        private double width;
    }
    复制代码

**正方形（Square）：**

由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值。

public class Square extends Rectangle {
        
        public void setWidth(double width) {
            super.setLength(width);
            super.setWidth(width);
        }
    
        public void setLength(double length) {
            super.setLength(length);
            super.setWidth(length);
        }
    }
    复制代码

类 RectangleDemo 是我们的软件系统中的一个组件，它有一个 resize 方法依赖基类Rectangle，resize 方法是 RectandleDemo 类中的一个方法，用来实现宽度逐渐增长的效果。

public class RectangleDemo {
        
        public static void resize(Rectangle rectangle) {
            while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
                rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
            }
        }
    
        //打印长方形的长和宽
        public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
            System.out.println(rectangle.getLength());
            System.out.println(rectangle.getWidth());
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            Rectangle rectangle = new Rectangle();
            rectangle.setLength(20);
            rectangle.setWidth(10);
            resize(rectangle);
            printLengthAndWidth(rectangle);
    
            System.out.println("============");
    
            Rectangle rectangle1 = new Square();
            rectangle1.setLength(10);
            resize(rectangle1);
            printLengthAndWidth(rectangle1);
        }
    }
    复制代码

我们运行一下这段代码就会发现，假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度，代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；

假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，**代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误**。

所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。

我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

如何改进呢？此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口（Quadrilateral），让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口

![format_png 13][]

代码实现

/**
     * 四边形
     */
    public interface Quadrilateral {
    
        double getLength();
    
        double getWidth();
    
    }
    
    /**
     * 长方形
     */
    @Data
    public class Rectangle implements Quadrilateral {
        private double length;
        private double width;
    }
    
    /**
     * 正方形
     */
    @Data
    public class Square implements Quadrilateral {
    
        /**
         * 边长
         */
        private double side;
    
        @Override
        public double getLength() {
            return side;
        }
    
        @Override
        public double getWidth() {
            return side;
        }
    
    }
    
    public class RectangleDemo {
    
        public static void main(String[] args) {
            var rectangle = new Rectangle();
            rectangle.setLength(20);
            rectangle.setWidth(10);
            resize(rectangle);
            printLengthAndWidth(rectangle);
    
            System.out.println("============");
    
            var square = new Square();
            square.setSide(10);
            printLengthAndWidth(square);
        }
    
        public static void resize(Rectangle rectangle) {
            while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
                rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
            }
        }
    
        //打印长方形的长和宽
        public static void printLengthAndWidth(Quadrilateral quadrilateral) {
            System.out.println(quadrilateral.getLength());
            System.out.println(quadrilateral.getWidth());
        }
    
    }
    复制代码

### 依赖倒转原则 ###

> 高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。

简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

下面看一个例子来理解依赖倒转原则。

#### 例子：组装电脑 ####

现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条。只有这些配置都有了，计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择，如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，海盗船等。

**类图如下：**

![format_png 14][]

代码如下：

**希捷硬盘类（XiJieHardDisk）:**

public class XiJieHardDisk implements HardDisk {
    
        public void save(String data) {
            System.out.println("使用希捷硬盘存储数据" + data);
        }
    
        public String get() {
            System.out.println("使用希捷希捷硬盘取数据");
            return "数据";
        }
    }
    复制代码

**Intel处理器（IntelCpu）：**

public class IntelCpu implements Cpu {
    
        public void run() {
            System.out.println("使用Intel处理器");
        }
    }
    复制代码

**金士顿内存条（KingstonMemory）：**

public class KingstonMemory implements Memory {
    
        public void save() {
            System.out.println("使用金士顿作为内存条");
        }
    }
    复制代码

**电脑（Computer）：**

@Data
    public class Computer {
        private XiJieHardDisk hardDisk;
        private IntelCpu cpu;
        private KingstonMemory memory;
    
        public void run() {
            System.out.println("计算机工作");
            cpu.run();
            memory.save();
            String data = hardDisk.get();
            System.out.println("从硬盘中获取的数据为：" + data);
        }
        
    }
    复制代码

**测试类（TestComputer）：**

测试类用来组装电脑。

class ComputerTest {
    
        @Test
        void run() {
            var computer = new Computer();
            computer.setHardDisk(new XiJieHardDisk());
            computer.setCpu(new IntelCpu());
            computer.setMemory(new KingstonMemory());
    
            computer.run();
        }
    }
    复制代码

上面代码可以看到已经组装了一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进：代码我们只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类。

**类图如下：**

![format_png 15][]

**电脑（Computer）：**

@Data
    public class Computer {
        private HardDisk hardDisk;
        private Cpu cpu;
        private Memory memory;
    
        public void run() {
            System.out.println("计算机工作");
            cpu.run();
            memory.save();
            String data = hardDisk.get();
            System.out.println("从硬盘中获取的数据为：" + data);
        }
    
    }
    复制代码

面向对象的开发很好的解决了这个问题，一般情况下抽象的变化概率很小，**让用户程序依赖于抽象，实现的细节也依赖于抽象**。即使实现细节不断变动，只要抽象不变，客户程序就不需要变化。

这大大降低了客户程序与实现细节的耦合度。

### 接口隔离原则 ###

> 客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

下面看一个例子来理解接口隔离原则

#### 例子：安全门案例 ####

我们需要创建一个黑马品牌的安全门，该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火，防水，防盗功能提取成一个接口，形成一套规范。类图如下：

![format_png 16][]

上面的设计我们发现了它存在的问题，黑马品牌的安全门具有防盗，防水，防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门，而该安全门只具有防盗、防水功能呢？

很显然如果实现`SafetyDoor`接口就违背了接口隔离原则，那么我们如何进行修改呢？看如下类图：

![format_png 17][]

代码如下：

**AntiTheft（接口）**

public interface AntiTheft {
        void antiTheft();
    }
    复制代码

**Fireproof（接口）**

public interface Fireproof {
        void fireproof();
    }
    复制代码

**Waterproof（接口）**

public interface Waterproof {
        void waterproof();
    }
    复制代码

**HeiMaSafetyDoor（类）**

public class HeiMaSafetyDoor implements AntiTheft, Fireproof, Waterproof {
        @Override
        public void antiTheft() {
            System.out.println("防盗");
        }
    
        @Override
        public void fireproof() {
            System.out.println("防火");
        }
    
        @Override
        public void waterproof() {
            System.out.println("防水");
        }
    }
    复制代码

**ItcastSafetyDoor（类）**

public class ItcastSafetyDoor implements AntiTheft, Fireproof {
        @Override
        public void antiTheft() {
            System.out.println("防盗");
        }
    
        @Override
        public void fireproof() {
            System.out.println("防火");
        }
    
    }
    复制代码

### 迪米特法则 ###

> 迪米特法则又叫最少知识原则。
> 
> 只和你的直接朋友交谈，不跟**陌生人**说话（Talk only to your immediate friends and not to strangers）。

其含义是：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以**通过第三方转发该调用**。其目的是**降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性**。

迪米特法则中的**朋友**是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。

下面看一个例子来理解迪米特法则

#### 例子：明星与经纪人的关系实例 ####

明星由于全身心投入艺术，所以许多日常事务由经纪人负责处理，如和粉丝的见面会，和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则。

类图如下：

代码如下：

**明星类（Star）**

@Data
    public class Star {
        private String name;
    }
    复制代码

**粉丝类（Fans）**

@Data
    public class Fans {
        private String name;
    }
    复制代码

**媒体公司类（Company）**

@Data
    public class Company {
        private String name;
    }
    复制代码

**经纪人类（Agent）**

@Setter
    public class Agent {
        private Star star;
        private Fans fans;
        private Company company;
    
        public void meeting() {
            System.out.println(fans.getName() + "与明星" + star.getName() + "见面了。");
        }
    
        public void business() {
            System.out.println(company.getName() + "与明星" + star.getName() + "洽淡业务。");
        }
    }
    复制代码

### 合成复用原则 ###

> 尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现，其次才考虑使用继承关系来实现。

通常类的复用分为继承复用和合成复用两种。

继承复用虽然有简单和易实现的优点，但它也存在以下缺点：

1.  **继承复用破坏了类的封装性**。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类，父类对子类是透明的，所以这种复用又称为**白箱**复用。
2.  **子类与父类的耦合度高**。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化，这不利于类的扩展与维护。
3.  **它限制了复用的灵活性**。从父类继承而来的实现是静态的，在编译时已经定义，所以在运行时不可能发生变化。

采用组合或聚合复用时，可以将已有对象纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，新对象可以调用已有对象的功能，它有以下优点：

1.  **它维持了类的封装性**。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的，所以这种复用又称为**黑箱**复用。
2.  **对象间的耦合度低**。可以在类的成员位置声明抽象。
3.  **复用的灵活性高**。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

下面看一个例子来理解合成复用原则

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