【Java设计模式】一、软件设计的七个原则

红太狼 2024-04-23 15:52 76阅读 0赞

> 设计模式即一种解决问题的最佳实践。

#### 文章目录 ####

*  0、UML图
 *  1、开闭原则
 *  2、里氏替换原则
 *  3、依赖倒转原则
 *  4、接口隔离原则
 *  5、迪米特原则
 *  6、合成复用原则
 *  7、单一原则

## 0、UML图 ##

Unified Modeling Language，UML，统一建模语言。图形化表达软件设计的动态与静态信息。下面用UML中的类图来表示类的静态信息：

![在这里插入图片描述][4fcbd7fa09eb490eaba17749540dde95.png]  
以上的等价代码：

public class Employee{
        
    
    	private String name;
    	private int age;
    	private String address;
    	public void work(){
        
    		//...
    	}
    }

用UML的类图表示类与类之间的关系：

> **关联关系**

*  单向关联：如老师类中有个属性类型为学生类，顾客有个地址属性：

![在这里插入图片描述][af7c87a25e4141c3ba98213be7826251.png]

*  双向关联：两个类各自持有对方类型的成员变量

![在这里插入图片描述][6015d7b4690a428987b363588ac839eb.png]

*  自关联，如Node类包含Node类型的成员变量

![在这里插入图片描述][8dd561bceab04288bb231ed8f9f1d48f.png]

> **聚合关系**

强关联关系，成员对象是整体对象的一部分，但成员对象可以脱离整体对象独立存在。如大学类和老师类，大学没了，老师可再找工作。空心菱形表示，且空心菱形一侧是整体的类

![在这里插入图片描述][a1fdf1908db14e82ac1a95586831aa55.png]

> **组合关系**

更强烈的一种聚合关系，强烈体现在：整体对象不存在的化，部分对象也将不存在，如Head类和Mouth类。用实心菱形表示：

![在这里插入图片描述][cd629d234fab42fcaff047c948d04b2d.png]

> **依赖关系**

一个类的方法通过局部变量或者形参来访问另一个类的某个方法。如Driver类有形参Car car，并调用了car类的move方法

![在这里插入图片描述][2809f6e6302b40188cc1918a42e79c7e.png]

> **继承关系**

实线 + 实线箭头从子类指向父类：

![在这里插入图片描述][ac254dd21f244b14acca2949a426bde4.png]

> **实现关系**

虚线+虚线箭头![在这里插入图片描述][641d55e6b32946908692225548aca205.png]

## 1、开闭原则 ##

*  对扩展开放，对修改关闭
 *  需求拓展时，尽量不改旧代码，热插拔的效果
 *  实现思路：使用抽象类或接口进行构建，使用实现类扩展细节
 *  面向抽象编程
 *  提高了可扩展性和可维护性

以搜狗输入法支持切换各种主题皮肤为例，皮肤对象就是背景图片、颜色、字体等属性的组合。思路是：定义个抽象类，具体皮肤是其子类。搜狗输入法注入这个抽象类的对象来进行展示。类图：

![在这里插入图片描述][ffca584db9a94ae0b12ecfc55e756b7b.png]

皮肤的抽象类：

public abstract class AbstractSkin {
        
        /**
         * 展示输入法皮肤
         */
        public abstract void display();
    }

实现类：

/**
     * 默认皮肤类
     */
    public class DefaultSkin extends AbstractSkin{
        
    
        @Override
        public void display() {
        
            System.out.println("默认皮肤");
        }
    }

/**
     * 自定义皮肤一
     */
    public class AnotherSkin extends AbstractSkin{
        
        @Override
        public void display() {
        
            System.out.println("自定义皮肤一");
        }
    }

搜狗输入法，聚合抽象类，展示皮肤：

/**
     * 搜狗输入法
     * 通过成员变量，聚合抽象类
     */
    public class SouGouInput {
        
    
        private AbstractSkin skin;  //聚合抽象类
    
        /**
         * 提供set，方便注入和初始化赋值，当然用构造方法来初始抽象类对象也可
         */
        public void setSkin(AbstractSkin skin) {
        
            this.skin = skin;
        }
    
        public void display(){
        
            skin.display();
        }
    }

客户端模拟：

/**
     * 客户端
     */
    public class ClintTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //搜狗输入法对象
            SouGouInput souGouInput = new SouGouInput();
            //创建皮肤对象
            DefaultSkin defaultSkin = new DefaultSkin();
            //将皮肤设置到输入法中
            souGouInput.setSkin(defaultSkin);
            //展示
            souGouInput.display();
        }
    }

![在这里插入图片描述][a6f92c08093c4cfeae5398741003dbf4.png]

此后，再扩展新皮肤，写实现类即可。

## 2、里氏替换原则 ##

是继承复用的基石（对子类的继承关系进行约束），是对开闭原则的补充。里氏替换原则即：任何父类可以出现的地方，子类一定可以出现。比如某个方法的形参类型是父类A，那传个A的子类B也要行得通。为此，开发时，建议：

*  子类可以扩展父类的功能，但尽量不要重写父类原有的功能
 *  重继承和复用，轻覆盖
 *  子类可以实现父类的抽象方法，但是不能覆盖父类原有的方法
 *  子类中可以增加自己特有的方法

以长方形和正方形为例：正方形属于长方形的一种，因此首先想到继承：

/**
     * 长方形
     */
    public class Rectangle {
        
    
        private double length;
        private double width;
    
        public double getLength() {
        
            return length;
        }
    
        public void setLength(double length) {
        
            this.length = length;
        }
    
        public double getWidth() {
        
            return width;
        }
    
        public void setWidth(double width) {
        
            this.width = width;
        }
    }

注意这里正方形做为子类，重写了父类的set方法

/**
     * 正方形
     */
    public class Square extends Rectangle{
        
    
        @Override
        public void setLength(double length) {
        
            super.setLength(length);
            super.setWidth(length);
        }
    
        @Override
        public void setWidth(double width) {
        
            super.setWidth(width);
            super.setLength(width);
        }
    }

写测试类，定义一个扩宽的方法：

public class RectangleDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //长方形
            Rectangle r = new Rectangle();
            r.setLength(20);
            r.setWidth(10);
            resize(r);
            printLengthAndWidth(r);
            //正方形
            System.out.println("=====");
            Rectangle r2 = new Square();
            r2.setWidth(10);
            resize(r2);
            printLengthAndWidth(r2);
    
        }
        /**
         * 扩宽方法
         * 当宽小于等于长时，宽+1
         */
        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());
        }
    }

类图：

![在这里插入图片描述][e231252fffbc4310a1797eb9d5532371.png]

![在这里插入图片描述][7b2a52eeafcf431fb5a7d64562d5d458.png]

发现传入长方形正常，传入正方形则死循环，因为正方形这个子类重，set被重写，宽 <= 长始终满足。不满足里氏替换了。关于这个问题的改进：引入一个抽象的四边形接口Quadrilateral：

![在这里插入图片描述][5d0a53dd94d3490bb09c53e6bb1f551d.png]

/**
     * 四边形
     */
    public interface Quadrilateral {
        
    
        public double getLength();
        public double getWidth();
    }

正方形和长方形做为四边形的子类：

/**
     * 长方形
     */
    public class Rectangle implements Quadrilateral{
        
    
        private double length;
        private double width;
    
        @Override
        public double getLength() {
        
            return this.length;
        }
    
        @Override
        public double getWidth() {
        
            return this.width;
        }
    
        public void setLength(double length) {
        
            this.length = length;
        }
    
        public void setWidth(double width) {
        
            this.width = width;
        }
    }

四边形只有get方法，正方形的set方法属于是新增的方法

/**
     * 正方形
     */
    public class Square implements Quadrilateral{
        
    
        private double side;
    
        @Override
        public double getLength() {
        
            return this.side;
        }
    
        @Override
        public double getWidth() {
        
            return this.side;
        }
    
        public void setSide(double side) {
        
            this.side = side;
        }
    }

测试类：

public class RectangleTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            Rectangle r = new Rectangle();
            r.setLength(20);
            r.setWidth(10);
            resize(r);
            printLengthAndWidth(r);
    
            Square square = new Square();
            square.setSide(10);
            printLengthAndWidth(square);
        }
        /**
         * 扩宽方法
         * 当宽小于等于长时，宽+1
         */
        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());
        }
    }

对于resize方法，形参为长方形，正方形不再满足，当然也可instance of + 形参类型是四边形。总之：里氏替换要求父类可满足的，子类也可满足，为了达到这一点，coding时，对于父类**已经实现的方法**，尽量避免重写，以防违背里氏替换原则，带来Bug。

## 3、依赖倒转原则 ##

高层模块不应该直接依赖底层模块，而是应该依赖其抽象。

![在这里插入图片描述][cb4b8cd3d5ff4afba45217e47361b1b6.png]

*  是开闭原则的一种落地
 *  面向接口进行编程
 *  **依赖抽象，而不是具体的实现**
 *  减少类与类之间的耦合性，提高系统稳定性，降低修改程序所造成的风险

以组装电脑为例，配件有cpu、硬盘、内存条。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。能想到的最直接的实现的类图：

![在这里插入图片描述][a18e69140c4e465caff4a9e5914368d0.png]

类图翻译代码：

![在这里插入图片描述][6381fabb3c5b446dbc8dc02a99f19daa.png]

定义电脑类，其聚合硬盘、内存、CPU等类：

@Data
    public class Computer{
        
    
    	private XiJieHardDisk hardDisk;
    	private IntelCpu cpu;
    	private KingstonMemory memory;
    
    	//组装运行电脑
    	public void run(){
        
    		System.out.println("计算机工作");
    		cpu.run();
    		memory.save();
    		String data = hardDisk.get();
    		System.out.println("从硬盘获取的数据为：" + data);
    	}
    }

测试类：

![在这里插入图片描述][c5271a4cfa234e6d959bc07840da9d99.png]

很明显，这么写，是直接依赖了其底层模块，而不是依赖抽象。当要换个厂商的CPU或者硬盘，就得大改Computer代码。改进方案的类图（对下游类抽取成一个接口）：

![在这里插入图片描述][7553f46363594e888e5d84ba6adb8f52.png]

部分代码：

//硬盘、内存以此类推
    public interface Cpu{
        
    
    	public void run();
    }

后续换不同的厂商，就写不同的实现类，而Computer自然要去依赖下游类的抽象（即Cpu接口，而非IntelCpu类）：

@Data
    public class Computer{
        
    
    	private HardDisk hardDisk;
    	private Cpu cpu;
    	private Memory memory;
    
    	//组装运行电脑
    	public void run(){
        
    		System.out.println("计算机工作");
    		cpu.run();
    		memory.save();
    		String data = hardDisk.get();
    		System.out.println("从硬盘获取的数据为：" + data);
    	}
    }

测试类：

public class Test{
        
    
    	//创建计算机组件对象
    	HardDisk hardDisk = new SiJieHardDisk();
    	Cpu cpu = new IntelCpu();
    	Memory memory = new KingstonMemory();
    	//创建计算机对象
    	Computer c = new Computer();
    	//组装计算机
    	c.setCpu(cpu);
    	c.setHardDisk(hardDisk);
    	c.setMemory(memory);
    	//运行计算机
    	c.run();
    }

## 4、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。

![在这里插入图片描述][c9cdf187d1664a3d98f7d40d44080122.png]

因此：

*  用多个接口，而不是使用单一的接口
 *  尽量细化接口，接口中的方法尽量少
 *  符合低耦合的设计思想，提高了可扩展性和可维护性

举个实际例子：安全门具有防火、防水、防盗功能，如果将三个功能对应的方法都放在一个接口，写的实现类如下：

![在这里插入图片描述][ae36796a14b14cccb8894c78d6f6eb01.png]

此时，有个品牌只支持防火和防水，直接继承SafetyDoor就会出问题。根据接口隔离原则，可拆成三个接口，类图如下：

![在这里插入图片描述][81ec707fab774678b1bf24b03c08a9dd.png]

## 5、迪米特原则 ##

如果两个对象或者软件实体无需直接通信，那就不应当发生直接的掉哦那个，可以通过第三方转发该调用，已达到解耦的目的。如需要做软件的公司应该去找开发软件的公司，而不是工程师个人。

![在这里插入图片描述][cbbada927cba4fc49c1db3720c6f3825.png]

*  一个对象应该对其他对象保持最少的了解（最少知道原则）
 *  为了降低类与类之间的耦合
 *  强调只和朋友交流，不和陌生人说话
 *  这里的朋友指的是当前对象的成员变量对象、当前对象的方法的输入或输出参数，它们与当前对象存在关联、聚合、组合关系，可直接访问这些对象的方法。

**案例一：开发者 --> 领导 --> 老板**

实现思路：

*  需要和老板类的对象直接通信的是领导类的对象，这里以形参的方式
 *  需要和领导类的对象直接通信的是开发者类的对象，这里以成员变量的形式

//人
    public interface Human {
        
    }

//代码开发者
    public abstract class Programmer implements Human {
        
    
    	public abstract void work();
    	
    }

public class JavaProgrammer  extends Programmer {
        
    
    	@Override
    	public void work() {
        
    		System.out.println("Java程序员在做开发工作");
    	}
    }

public class PythonProgrammer  extends Programmer {
        
    
    	@Override
    	public void work() {
        
    		System.out.println("Python程序员在做开发工作");
    	}
    }

//管理者
    public interface Manager extends Human{
        
    	
    }

老板类：

public class Boss implements Manager{
        
    	
    	public void meet(TeamLeader teamLeader){
              //需要和老板类的对象直接通信的是领导类的对象，这里以形参的方式
    		System.out.println("老板开会，分布任务");
    		//teamLeader.assginTasks();
    	}
    }

项目经理类：

public class TeamLeader implements Manager{
        
    	
    	private Programmer programmer;     //需要和领导类的对象直接通信的是开发者类的对象，这里以成员变量的形式。
    	
    	public void setProgrammer(Programmer programmer){
           
    		this.programmer = programmer;
    	}
    	public void assginTasks(){
        
    		System.out.println("给下属分配任务");
    		if(this.programmer instanceof JavaProgrammer){
        
    			//是Java开发者
    			(JavaProgrammer)programmer.work();
    		}else if(this.programmer instanceof PythonProgrammer){
        
    			//是Python开发者
    			(PythonProgrammer)programmer.work();
    		}
    		
    		
    	}
    }

public class Test{
        
    
    	public static void main(String[] args){
        
    		Boss boss = new Boss();
    		TeamLeader teamLeader = new TeamLeader();
    		JavaProgrammer javaProgrammer = new JavaProgrammer();
    		PythonProgrammer pythonProgrammer = new PythonProgrammer();
    
    		//老板只负责通知项目经理开会
    		boss.meet(teamLeader);
    		//项目经理根据会议内容进行任务分配
    		teamLeader.setProgrammer(javaProgrammer);
    		teamLeader.assginTasks();
    		teamLeader.setProgrammer(pythonProgrammer);
    		teamLeader.assginTasks();
    	}
    }

Boss只与TeamLeader有关，TeamLeader则只与Programmer有关

![在这里插入图片描述][2ca29962feef4fa482bfcc0baa614441.png]

**案例二：明星 --> 经纪人 --> 粉丝**

明星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

![在这里插入图片描述][ef7d0c1173ad4b14b81dedd0e927576e.png]

明星类：

public class Star {
        
    
    	private String name;
    	
    	public Star(String name) {
        
    		this.name=name;
    	}
    	public String getName() {
        
    		return name;
    	}
    }

粉丝类：

public class Fans {
        
    
    	private String name;
    	
    	public Fans(String name) {
        
    		this.name=name;
    	}
    	
    	public String getName() {
        
    		return name;
    	}
    }

媒体公司类：

public class Company {
        
    
    	private String name;
    	
    	public Company(String name) {
        
    		this.name=name;
    	}
    	
    	public String getName() {
        
    		return name;
    	}
    }

经纪人类，是粉丝、明星的"朋友"，在这里进行聚合：

public class Agent {
        
    
    	private Star star;
    	
    	private Fans fans;
    	
    	private Company company;
    	
    	public void setStar(Star star) {
        
    		this.star = star;
    	}
    	
    	public void setFans(Fans fans) {
        
    		this.fans = fans;
    	}
    	
    	public void setCompany(Company company) {
        
    		this.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。");
    	}
    }

## 6、合成复用原则 ##

*  尽量使用对象组合，而不是使用继承关系，以达到代码复用的目的
 *  如此就降低了类与类之间的耦合，一个类的变化对其他类造成的影响较小

这里的对象组合，指的是前面类图重的组合和聚合关系，通过成员变量或者形参等等，将已有的对象纳入新对象重，新对象通过已有对象类型的属性也可以调用已有类的方法。这比继承好，依赖继承破坏看封装性，二来有耦合，父类变，子类也得变。举个例子，车按动力分为汽油、电动。按颜色分为红黑白等。如果用继承来实现就是：

![在这里插入图片描述][d1c889b39c1045bd80415bd34ada2c0a.png]

可以看到继承复用会产生很多子类，考虑用聚合复用，把颜色类做为属性（成员变量），明显更优：

![在这里插入图片描述][57f3f9d207d340b3b3d75b74c482efcd.png]

如果现在需求变更，有个光能汽车，对继承复用就得新增三个类：

![在这里插入图片描述][491efd8548204adaac96fd8f30ae3961.png]

对聚合复用则只需增加一个类即可，因此日常开发优先考虑聚合复用。

![在这里插入图片描述][f69969fe64d7402a843febcaedefbdb1.png]

## 7、单一原则 ##

*  一个类、一个接口、一个方法，只去负责一项职责
 *  降低程序复杂度以及代码变更带来的风险

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