【学习总结】设计模式知识点整理

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前言

最近复习完设计模式后有感而发，想写一篇博客来整理一下相关知识点以及分享一下我对于设计模式的理解，顺便也当完成实验室的任务。

想系统学习设计模式的，推荐去看这个——C语言中文网，他这文章写的是真的清晰明了，态度也很认真，看得出每一篇文章都是经过精雕细琢的。
这篇博文大部分都是从他上面搬运整理的。

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一、什么是设计模式？

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。其目的是为了提高代码的可重用性、代码的可读性和代码的可靠性。

在我看来，设计模式是一种组织代码的一种思想，是前人经过无数问题后总结出来的经验。

当然，我们也不应该把设计模式仅仅看做一种代码层次的方法，它对于我们的生活也会给我们带来一些启示、一些思考。

随着我的学习，我渐渐发现，所谓编程，无非就是利用一种技术控制计算机来解决生活中的一些问题，编程只是手段而已。

而我们的计算机语言，无非就是对现实世界的语言描述，就像我们的汉字，只不过这种文字一般人看不懂，而计算机可以看懂，并可以按照我们的想法去执行一些我们做不到或者很难做到的事情。仅此而已！

二、为什么要学习设计模式

如果把编程比作写文章，那么指导我们如何组织文章，如何让文章变得条理清晰、井然有序的思想就是设计模式思想。

我们学习Java的时候，经常会提到面向对象思想，那么什么是面向对象思想呢？有人对此不屑一顾，感觉这个问题很简单。原先的我也是这么觉得的，可是直到我在老师的考核中被批评，直到我好好学习了设计模式之后，我才发现这个问题其实并不简单，之前的我只是井底之蛙望月而已。

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。

等你学了设计模式之后，你会发现代码原来可以这么设计。

三、设计原则

一个好的系统一般都应该达到高内聚，低耦合的效果。这样系统拓展性好，复杂度低，运行效率好。
但这样说太过笼统，我们需要一个标准。而设计原则就是这个标准，一个系统的设计应该尽量遵循以下原则。

1.开闭原则

开闭原则（Open Closed Principle，OCP）由勃兰特·梅耶（Bertrand Meyer）提出，他在 1988 年的著作《面向对象软件构造》（Object Oriented Software Construction）中提出：软件实体应当对扩展开放，对修改关闭（Software entities should be open for extension，but closed for modification），这就是开闭原则的经典定义。

这里的软件实体包括以下几个部分：

1. 项目中划分出的模块
2. 类与接口
3. 方法

开闭原则的含义是：当应用的需求改变时，在不修改软件实体的源代码或者二进制代码的前提下，可以扩展模块的功能，使其满足新的需求。

2.里氏替换原则

里氏替换原则（Liskov Substitution Principle，LSP）由麻省理工学院计算机科学实验室的里斯科夫（Liskov）女士在 1987 年的“面向对象技术的高峰会议”（OOPSLA）上发表的一篇文章《数据抽象和层次》（Data Abstraction and Hierarchy）里提出来的，她提出：继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立（Inheritance should ensure that any property proved about supertype objects also holds for subtype objects）。

里氏替换原则主要阐述了有关继承的一些原则，也就是什么时候应该使用继承，什么时候不应该使用继承，以及其中蕴含的原理。里氏替换原是继承复用的基础，它反映了基类与子类之间的关系，是对开闭原则的补充，是对实现抽象化的具体步骤的规范。

里氏替换原则通俗来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。也就是说：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。

根据上述理解，对里氏替换原则的定义可以总结如下：

• 子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法
• 子类中可以增加自己特有的方法
• 当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入参数）要比父类的方法更宽松
• 当子类的方法实现父类的方法时（重写/重载或实现抽象方法），方法的后置条件（即方法的的输出/返回值）要比父类的方法更严格或相等

3.依赖倒置原则

依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle，DIP）是 Object Mentor 公司总裁罗伯特·马丁（Robert C.Martin）于 1996 年在 C++ Report 上发表的文章。

依赖倒置原则的原始定义为：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（High level modules shouldnot depend upon low level modules.Both should depend upon abstractions.Abstractions should not depend upon details. Details should depend upon abstractions）。其核心思想是：要面向接口编程，不要面向实现编程。

依赖倒置原则是实现开闭原则的重要途径之一，它降低了客户与实现模块之间的耦合。

由于在软件设计中，细节具有多变性，而抽象层则相对稳定，因此以抽象为基础搭建起来的架构要比以细节为基础搭建起来的架构要稳定得多。这里的抽象指的是接口或者抽象类，而细节是指具体的实现类。

使用接口或者抽象类的目的是制定好规范和契约，而不去涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给它们的实现类去完成。

依赖倒置原则的目的是通过要面向接口的编程来降低类间的耦合性，所以我们在实际编程中只要遵循以下4点，就能在项目中满足这个规则。

• 每个类尽量提供接口或抽象类，或者两者都具备。
• 变量的声明类型尽量是接口或者是抽象类。
• 任何类都不应该从具体类派生。
• 使用继承时尽量遵循里氏替换原则。

4.单一职责原则

单一职责原则（Single Responsibility Principle，SRP）又称单一功能原则，由罗伯特·C.马丁（Robert C. Martin）于《敏捷软件开发：原则、模式和实践》一书中提出的。这里的职责是指类变化的原因，单一职责原则规定一个类应该有且仅有一个引起它变化的原因，否则类应该被拆分（There should never be more than one reason for a class to change）。

该原则提出对象不应该承担太多职责，如果一个对象承担了太多的职责，至少存在以下两个缺点：

• 一个职责的变化可能会削弱或者抑制这个类实现其他职责的能力；
• 当客户端需要该对象的某一个职责时，不得不将其他不需要的职责全都包含进来，从而造成冗余代码或代码的浪费。

5.接口隔离原则

接口隔离原则（Interface Segregation Principle，ISP）要求程序员尽量将臃肿庞大的接口拆分成更小的和更具体的接口，让接口中只包含客户感兴趣的方法。

2002 年罗伯特·C.马丁给“接口隔离原则”的定义是：客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法（Clients should not be forced to depend on methods they do not use）。该原则还有另外一个定义：一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上（The dependency of one class to another one should depend on the smallest possible interface）。

以上两个定义的含义是：要为各个类建立它们需要的专用接口，而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。

接口隔离原则和单一职责都是为了提高类的内聚性、降低它们之间的耦合性，体现了封装的思想，但两者是不同的：

• 单一职责原则注重的是职责，而接口隔离原则注重的是对接口依赖的隔离。
• 单一职责原则主要是约束类，它针对的是程序中的实现和细节；接口隔离原则主要约束接口，主要针对抽象和程序整体框架的构建。

在具体应用接口隔离原则时，应该根据以下几个规则来衡量。

• 接口尽量小，但是要有限度。一个接口只服务于一个子模块或业务逻辑。
• 为依赖接口的类定制服务。只提供调用者需要的方法，屏蔽不需要的方法。
• 了解环境，拒绝盲从。每个项目或产品都有选定的环境因素，环境不同，接口拆分的标准就不同深入了解业务逻辑。
• 提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情。

6.迪米特法则

迪米特法则（Law of Demeter，LoD）又叫作最少知识原则（Least Knowledge Principle，LKP)，产生于 1987 年美国东北大学（Northeastern University）的一个名为迪米特（Demeter）的研究项目，由伊恩·荷兰（Ian Holland）提出，被 UML 创始者之一的布奇（Booch）普及，后来又因为在经典著作《程序员修炼之道》（The Pragmatic Programmer）提及而广为人知。

迪米特法则的定义是：只与你的直接朋友交谈，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。
从迪米特法则的定义和特点可知，它强调以下两点：

• 从依赖者的角度来说，只依赖应该依赖的对象。
• 从被依赖者的角度说，只暴露应该暴露的方法。

所以，在运用迪米特法则时要注意以下 6 点：

1. 在类的划分上，应该创建弱耦合的类。类与类之间的耦合越弱，就越有利于实现可复用的目标。
2. 在类的结构设计上，尽量降低类成员的访问权限。
3. 在类的设计上，优先考虑将一个类设置成不变类。
4. 在对其他类的引用上，将引用其他对象的次数降到最低。
5. 不暴露类的属性成员，而应该提供相应的访问器（set 和 get 方法）。
6. 谨慎使用序列化（Serializable）功能。

7.合成复用原则

合成复用原则（Composite Reuse Principle，CRP）又叫组合/聚合复用原则（Composition/Aggregate Reuse Principle，CARP）。它要求在软件复用时，要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。

如果要使用继承关系，则必须严格遵循里氏替换原则。合成复用原则同里氏替换原则相辅相成的，两者都是开闭原则的具体实现规范。
合成复用原则是通过将已有的对象纳入新对象中，作为新对象的成员对象来实现的，新对象可以调用已有对象的功能，从而达到复用。

四、设计模式简述

其实，所谓设计模式，不过是针对某种场景而总结出来的方法，但我们要明白的是，没有一种设计模式是完美的，任何设计模式在解决一类问题的同时，自身会出现其他问题。我们得根据实际场景，做出权衡，选择合适的设计模式来组织代码。
以下整理了常见的设计模式

一、创建型模式

创建型模式的主要关注点是“怎样创建对象？”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节，对象的创建由相关的工厂来完成。就像我们去商场购买商品时，不需要知道商品是怎么生产出来一样，因为它们由专门的厂商生产。

1.单例模式

定义

单例（Singleton）模式的定义：指一个类只有一个实例，且该类能自行创建这个实例的一种模式。例如，Windows 中只能打开一个任务管理器，这样可以避免因打开多个任务管理器窗口而造成内存资源的浪费，或出现各个窗口显示内容的不一致等错误。

单例模式有 3 个特点：

• 单例类只有一个实例对象；
• 该单例对象必须由单例类自行创建；
• 单例类对外提供一个访问该单例的全局访问点。

优缺点

单例模式的优点：

• 单例模式可以保证内存里只有一个实例，减少了内存的开销。
• 可以避免对资源的多重占用。
• 单例模式设置全局访问点，可以优化和共享资源的访问。

单例模式的缺点：

• 单例模式一般没有接口，扩展困难。如果要扩展，则除了修改原来的代码，没有第二种途径，违背开闭原则。
• 在并发测试中，单例模式不利于代码调试。在调试过程中，如果单例中的代码没有执行完，也不能模拟生成一个新的对象。
• 单例模式的功能代码通常写在一个类中，如果功能设计不合理，则很容易违背单一职责原则

应用场景

• 对于 Java 来说，单例模式可以保证在一个 JVM 中只存在单一实例。单例模式的应用场景主要有以下几个方面。

• 需要频繁创建的一些类，使用单例可以降低系统的内存压力，减少 GC。

• 某类只要求生成一个对象的时候，如一个班中的班长、每个人的身份证号等。

• 某些类创建实例时占用资源较多，或实例化耗时较长，且经常使用。

• 某类需要频繁实例化，而创建的对象又频繁被销毁的时候，如多线程的线程池、网络连接池等。

• 频繁访问数据库或文件的对象。

• 对于一些控制硬件级别的操作，或者从系统上来讲应当是单一控制逻辑的操作，如果有多个实例，则系统会完全乱套。

• 当对象需要被共享的场合。由于单例模式只允许创建一个对象，共享该对象可以节省内存，并加快对象访问速度。如 Web 中的配置对象、数据库的连接池等。

2.原型模式

定义

原型（Prototype）模式的定义如下：用一个已经创建的实例作为原型，通过复制该原型对象来创建一个和原型相同或相似的新对象。在这里，原型实例指定了要创建的对象的种类。用这种方式创建对象非常高效，根本无须知道对象创建的细节。例如，Windows 操作系统的安装通常较耗时，如果复制就快了很多。在生活中复制的例子非常多，这里不一一列举了。

原型模式的克隆分为浅克隆和深克隆。

• 浅克隆：创建一个新对象，新对象的属性和原来对象完全相同，对于非基本类型属性，仍指向原有属性所指向的对象的内存地址。
• 深克隆：创建一个新对象，属性中引用的其他对象也会被克隆，不再指向原有对象地址。

优缺点

原型模式的优点：

• Java 自带的原型模式基于内存二进制流的复制，在性能上比直接 new 一个对象更加优良。
• 可以使用深克隆方式保存对象的状态，使用原型模式将对象复制一份，并将其状态保存起来，简化了创建对象的过程，以便在需要的时候使用（例如恢复到历史某一状态），可辅助实现撤销操作。

原型模式的缺点：

• 需要为每一个类都配置一个 clone 方法
• clone 方法位于类的内部，当对已有类进行改造的时候，需要修改代码，违背了开闭原则。
• 当实现深克隆时，需要编写较为复杂的代码，而且当对象之间存在多重嵌套引用时，为了实现深克隆，每一层对象对应的类都必须支持深克隆，实现起来会比较麻烦。因此，深克隆、浅克隆需要运用得当。

原型模式的应用场景

原型模式通常适用于以下场景

• 对象之间相同或相似，即只是个别的几个属性不同的时候。
• 创建对象成本较大，例如初始化时间长，占用CPU太多，或者占用网络资源太多等，需要优化资源。
• 创建一个对象需要繁琐的数据准备或访问权限等，需要提高性能或者提高安全性。
• 系统中大量使用该类对象，且各个调用者都需要给它的属性重新赋值。

在 Spring 中，原型模式应用的非常广泛，例如 scope=‘prototype’、JSON.parseObject()
等都是原型模式的具体应用。

3.工厂模式

定义

工厂模式的定义：定义一个创建产品对象的工厂接口，将产品对象的实际创建工作推迟到具体子工厂类当中。这满足创建型模式中所要求的“创建与使用相分离”的特点。

优缺点

优点：

• 用户只需要知道具体工厂的名称就可得到所要的产品，无须知道产品的具体创建过程。
• 灵活性增强，对于新产品的创建，只需多写一个相应的工厂类。
• 典型的解耦框架。高层模块只需要知道产品的抽象类，无须关心其他实现类，满足迪米特法则、依赖倒置原则和里氏替换原则。

缺点：

• 类的个数容易过多，增加复杂度
• 增加了系统的抽象性和理解难度
• 抽象产品只能生产一种产品，此弊端可使用抽象工厂模式解决。

应用场景

• 客户只知道创建产品的工厂名，而不知道具体的产品名。如 TCL 电视工厂、海信电视工厂等。
• 创建对象的任务由多个具体子工厂中的某一个完成，而抽象工厂只提供创建产品的接口。
• 客户不关心创建产品的细节，只关心产品的品牌

4.抽象工厂模式

定义

抽象工厂（AbstractFactory）模式的定义：是一种为访问类提供一个创建一组相关或相互依赖对象的接口，且访问类无须指定所要产品的具体类就能得到同族的不同等级的产品的模式结构。

抽象工厂模式是工厂方法模式的升级版本，工厂方法模式只生产一个等级的产品，而抽象工厂模式可生产多个等级的产品。

使用抽象工厂模式一般要满足以下条件。

• 系统中有多个产品族，每个具体工厂创建同一族但属于不同等级结构的产品。
• 系统一次只可能消费其中某一族产品，即同族的产品一起使用。

优缺点

优点：

• 可以在类的内部对产品族中相关联的多等级产品共同管理，而不必专门引入多个新的类来进行管理。
• 当需要产品族时，抽象工厂可以保证客户端始终只使用同一个产品的产品组。
• 抽象工厂增强了程序的可扩展性，当增加一个新的产品族时，不需要修改原代码，满足开闭原则。

缺点：

• 当产品族中需要增加一个新的产品时，所有的工厂类都需要进行修改。增加了系统的抽象性和理解难度。

模式的应用场景

抽象工厂模式最早的应用是用于创建属于不同操作系统的视窗构件。如 Java 的 AWT 中的 Button 和 Text 等构件在
Windows 和 UNIX 中的本地实现是不同的。

抽象工厂模式通常适用于以下场景：

• 当需要创建的对象是一系列相互关联或相互依赖的产品族时，如电器工厂中的电视机、洗衣机、空调等。
• 系统中有多个产品族，但每次只使用其中的某一族产品。如有人只喜欢穿某一个品牌的衣服和鞋。
• 系统中提供了产品的类库，且所有产品的接口相同，客户端不依赖产品实例的创建细节和内部结构。

5.建造者模式（Bulider模式）

定义

建造者（Builder）模式的定义：指将一个复杂对象的构造与它的表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示，这样的设计模式被称为建造者模式。它是将一个复杂的对象分解为多个简单的对象，然后一步一步构建而成。它将变与不变相分离，即产品的组成部分是不变的，但每一部分是可以灵活选择的。
建造者（Builder）模式和工厂模式的关注点不同：建造者模式注重零部件的组装过程，而工厂方法模式更注重零部件的创建过程，但两者可以结合使用。

优缺点

该模式的主要优点如下：

• 封装性好，构建和表示分离。
• 扩展性好，各个具体的建造者相互独立，有利于系统的解耦。
• 客户端不必知道产品内部组成的细节，建造者可以对创建过程逐步细化，而不对其它模块产生任何影响，便于控制细节风险。

其缺点如下：

• 产品的组成部分必须相同，这限制了其使用范围。
• 如果产品的内部变化复杂，如果产品内部发生变化，则建造者也要同步修改，后期维护成本较大。

应用场景

建造者模式唯一区别于工厂模式的是针对复杂对象的创建。也就是说，如果创建简单对象，通常都是使用工厂模式进行创建，而如果创建复杂对象，就可以考虑使用建造者模式。

当需要创建的产品具备复杂创建过程时，可以抽取出共性创建过程，然后交由具体实现类自定义创建流程，使得同样的创建行为可以生产出不同的产品，分离了创建与表示，使创建产品的灵活性大大增加。

建造者模式主要适用于以下应用场景：

• 相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的结果。
• 多个部件或零件，都可以装配到一个对象中，但是产生的结果又不相同。
• 产品类非常复杂，或者产品类中不同的调用顺序产生不同的作用。
• 初始化一个对象特别复杂，参数多，而且很多参数都具有默认值。

二、结构型模式

结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。它分为类结构型模式和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者釆用组合或聚合来组合对象。

1.代理模式

定义

代理模式的定义：由于某些原因需要给某对象提供一个代理以控制对该对象的访问。这时，访问对象不适合或者不能直接引用目标对象，代理对象作为访问对象和目标对象之间的中介。

优缺点

代理模式的主要优点有：

• 代理模式在客户端与目标对象之间起到一个中介作用和保护目标对象的作用；
• 代理对象可以扩展目标对象的功能；
• 代理模式能将客户端与目标对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度，增加了程序的可扩展性

其主要缺点是：

• 代理模式会造成系统设计中类的数量增加
• 在客户端和目标对象之间增加一个代理对象，会造成请求处理速度变慢；
• 增加了系统的复杂度；

代理模式的应用场景

当无法或不想直接引用某个对象或访问某个对象存在困难时，可以通过代理对象来间接访问。使用代理模式主要有两个目的：一是保护目标对象，二是增强目标对象。

前面分析了代理模式的结构与特点，现在来分析以下的应用场景。

• 远程代理，这种方式通常是为了隐藏目标对象存在于不同地址空间的事实，方便客户端访问。例如，用户申请某些网盘空间时，会在用户的文件系统中建立一个虚拟的硬盘，用户访问虚拟硬盘时实际访问的是网盘空间。
• 虚拟代理，这种方式通常用于要创建的目标对象开销很大时。例如，下载一幅很大的图像需要很长时间，因某种计算比较复杂而短时间无法完成，这时可以先用小比例的虚拟代理替换真实的对象，消除用户对服务器慢的感觉。
• 安全代理，这种方式通常用于控制不同种类客户对真实对象的访问权限。
• 智能指引，主要用于调用目标对象时，代理附加一些额外的处理功能。例如，增加计算真实对象的引用次数的功能，这样当该对象没有被引用时，就可以自动释放它。
• 延迟加载，指为了提高系统的性能，延迟对目标的加载。例如，Hibernate 中就存在属性的延迟加载和关联表的延时加载。

动态代理模式的结构图：

2.适配器模式（Adapter模式）

定义

适配器模式（Adapter）的定义如下：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。适配器模式分为类结构型模式和对象结构型模式两种，前者类之间的耦合度比后者高，且要求程序员了解现有组件库中的相关组件的内部结构，所以应用相对较少些。

优缺点

该模式的主要优点如下：

• 客户端通过适配器可以透明地调用目标接口。
• 复用了现存的类，程序员不需要修改原有代码而重用现有的适配者类。
• 将目标类和适配者类解耦，解决了目标类和适配者类接口不一致的问题。

其缺点是：对类适配器来说，更换适配器的实现过程比较复杂。

适配器模式的应用场景

适配器模式（Adapter）通常适用于以下场景：

• 以前开发的系统存在满足新系统功能需求的类，但其接口同新系统的接口不一致。
• 使用第三方提供的组件，但组件接口定义和自己要求的接口定义不同。

3.桥接模式（Bridge模式）

定义

桥接（Bridge）模式的定义如下：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。

优缺点

桥接（Bridge）模式的优点是：

• 由于抽象与实现分离，所以扩展能力强；
• 其实现细节对客户透明。

缺点是：由于聚合关系建立在抽象层，要求开发者针对抽象化进行设计与编程，这增加了系统的理解与设计难度。

桥接模式的应用场景

桥接模式通常适用于以下场景。

• 当一个类存在两个独立变化的维度，且这两个维度都需要进行扩展时。
• 当一个系统不希望使用继承或因为多层次继承导致系统类的个数急剧增加时。
• 当一个系统需要在构件的抽象化角色和具体化角色之间增加更多的灵活性时。

4.装饰模式（装饰设计模式）

定义

装饰（Decorator）模式的定义：指在不改变现有对象结构的情况下，动态地给该对象增加一些职责（即增加其额外功能）的模式，它属于对象结构型模式。

优缺点

装饰（Decorator）模式的主要优点有：

• 采用装饰模式扩展对象的功能比采用继承方式更加灵活。
• 可以设计出多个不同的具体装饰类，创造出多个不同行为的组合。

其主要缺点是：装饰模式增加了许多子类，如果过度使用会使程序变得很复杂。

UML图
装饰模式的应用场景

前面讲解了关于装饰模式的结构与特点，下面介绍其适用的应用场景，装饰模式通常在以下几种情况使用。

• 当需要给一个现有类添加附加职责，而又不能采用生成子类的方法进行扩充时。例如，该类被隐藏或者该类是终极类或者采用继承方式会产生大量的子类。
• 当需要通过对现有的一组基本功能进行排列组合而产生非常多的功能时，采用继承关系很难实现，而采用装饰模式却很好实现。
• 当对象的功能要求可以动态地添加，也可以再动态地撤销时。

装饰模式在 Java 语言中的最著名的应用莫过于 Java I/O 标准库的设计了。例如，InputStream 的子类 FilterInputStream，OutputStream 的子类 FilterOutputStream，Reader 的子类 BufferedReader 以及 FilterReader，还有 Writer 的子类 BufferedWriter、FilterWriter 以及 PrintWriter 等，它们都是抽象装饰类。

下面代码是为 FileReader 增加缓冲区而采用的装饰类 BufferedReader 的例子：

BufferedReader in=new BufferedReader(new FileReader("filename.txtn));
String s=in.readLine();

5.外观模式（Facade模式）

定义

外观（Facade）模式的定义：是一种通过为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，而使这些子系统更加容易被访问的模式。该模式对外有一个统一接口，外部应用程序不用关心内部子系统的具体的细节，这样会大大降低应用程序的复杂度，提高了程序的可维护性。

优缺点

外观（Facade）模式是“迪米特法则”的典型应用，它有以下主要优点：

• 降低了子系统与客户端之间的耦合度，使得子系统的变化不会影响调用它的客户类。
• 对客户屏蔽了子系统组件，减少了客户处理的对象数目，并使得子系统使用起来更加容易。
• 降低了大型软件系统中的编译依赖性，简化了系统在不同平台之间的移植过程，因为编译一个子系统不会影响其他的子系统，也不会影响外观对象。

外观（Facade）模式的主要缺点如下：

• 不能很好地限制客户使用子系统类。
• 增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码，违背了“开闭原则”。

外观模式的应用场景

通常在以下情况下可以考虑使用外观模式。

• 对分层结构系统构建时，使用外观模式定义子系统中每层的入口点可以简化子系统之间的依赖关系。
• 当一个复杂系统的子系统很多时，外观模式可以为系统设计一个简单的接口供外界访问。
• 当客户端与多个子系统之间存在很大的联系时，引入外观模式可将它们分离，从而提高子系统的独立性和可移植性。

6.享元模式

定义

享元（Flyweight）模式的定义：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。它通过共享已经存在的对象来大幅度减少需要创建的对象数量、避免大量相似类的开销，从而提高系统资源的利用率。

优缺点

享元模式的主要优点是：

• 相同对象只要保存一份，这降低了系统中对象的数量，从而降低了系统中细粒度对象给内存带来的压力。

其主要缺点是：

• 为了使对象可以共享，需要将一些不能共享的状态外部化，这将增加程序的复杂性。
• 读取享元模式的外部状态会使得运行时间稍微变长。

享元模式的应用场景

前面分析了享元模式的结构与特点，下面分析它适用的应用场景。享元模式是通过减少内存中对象的数量来节省内存空间的，所以以下几种情形适合采用享元模式。

• 系统中存在大量相同或相似的对象，这些对象耗费大量的内存资源。
• 大部分的对象可以按照内部状态进行分组，且可将不同部分外部化，这样每一个组只需保存一个内部状态。
• 由于享元模式需要额外维护一个保存享元的数据结构，所以应当在有足够多的享元实例时才值得使用享元模式。

7.组合模式

定义

组合（Composite）模式的定义：有时又叫作部分-整体模式，它是一种将对象组合成树状的层次结构的模式，用来表示“部分-整体”的关系，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。

优缺点

组合模式的主要优点有：

• 组合模式使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象，无须关心自己处理的是单个对象，还是组合对象，这简化了客户端代码；
• 更容易在组合体内加入新的对象，客户端不会因为加入了新的对象而更改源代码，满足“开闭原则”；

其主要缺点是：

• 设计较复杂，客户端需要花更多时间理清类之间的层次关系；
• 不容易限制容器中的构件；
• 不容易用继承的方法来增加构件的新功能；

组合模式的应用场景

• 在需要表示一个对象整体与部分的层次结构的场合。
• 要求对用户隐藏组合对象与单个对象的不同，用户可以用统一的接口使用组合结构中的所有对象的场合。

三、行为型模式

行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。

行为型模式分为类行为模式和对象行为模式，前者采用继承机制来在类间分派行为，后者采用组合或聚合在对象间分配行为。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。

1.模板方法模式（模板方法设计模式）

定义

模板方法（Template Method）模式的定义如下：定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。它是一种类行为型模式。

优缺点

该模式的主要优点如下：

• 它封装了不变部分，扩展可变部分。它把认为是不变部分的算法封装到父类中实现，而把可变部分算法由子类继承实现，便于子类继续扩展。
• 它在父类中提取了公共的部分代码，便于代码复用。
• 部分方法是由子类实现的，因此子类可以通过扩展方式增加相应的功能，符合开闭原则。

该模式的主要缺点如：

• 对每个不同的实现都需要定义一个子类，这会导致类的个数增加，系统更加庞大，设计也更加抽象。
• 父类中的抽象方法由子类实现，子类执行的结果会影响父类的结果，这导致一种反向的控制结构，它提高了代码阅读的难度。

模式的应用场景

模板方法模式通常适用于以下场景。

• 算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现。
• 当多个子类存在公共的行为时，可以将其提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。首先，要识别现有代码中的不同之处，并且将不同之处分离为新的操作。最后，用一个调用这些新的操作的模板方法来替换这些不同的代码。
• 当需要控制子类的扩展时，模板方法只在特定点调用钩子操作，这样就只允许在这些点进行扩展。

2.策略模式（策略设计模式）

定义

策略（Strategy）模式的定义：该模式定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的变化不会影响使用算法的客户。策略模式属于对象行为模式，它通过对算法进行封装，把使用算法的责任和算法的实现分割开来，并委派给不同的对象对这些算法进行管理。

优缺点

策略模式的主要优点如下：

• 多重条件语句不易维护，而使用策略模式可以避免使用多重条件语句。
• 策略模式提供了一系列的可供重用的算法族，恰当使用继承可以把算法族的公共代码转移到父类里面，从而避免重复的代码。
• 策略模式可以提供相同行为的不同实现，客户可以根据不同时间或空间要求选择不同的。
• 策略模式提供了对开闭原则的完美支持，可以在不修改原代码的情况下，灵活增加新算法。
• 策略模式把算法的使用放到环境类中，而算法的实现移到具体策略类中，实现了二者的分离。

其主要缺点如下:

• 客户端必须理解所有策略算法的区别，以便适时选择恰当的算法类。
• 策略模式造成很多的策略类。

策略模式的应用场景

策略模式在很多地方用到，如 Java SE 中的容器布局管理就是一个典型的实例，Java SE
中的每个容器都存在多种布局供用户选择。在程序设计中，通常在以下几种情况中使用策略模式较多。

• 一个系统需要动态地在几种算法中选择一种时，可将每个算法封装到策略类中。
• 一个类定义了多种行为，并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现，可将每个条件分支移入它们各自的策略类中以代替这些条件语句。
• 系统中各算法彼此完全独立，且要求对客户隐藏具体算法的实现细节时。
• 系统要求使用算法的客户不应该知道其操作的数据时，可使用策略模式来隐藏与算法相关的数据结构。
• 多个类只区别在表现行为不同，可以使用策略模式，在运行时动态选择具体要执行的行为。

3.命令模式

定义

命令（Command）模式的定义如下：将一个请求封装为一个对象，使发出请求的责任和执行请求的责任分割开。这样两者之间通过命令对象进行沟通，这样方便将命令对象进行储存、传递、调用、增加与管理。

优缺点

命令模式的主要优点如下。

• 降低系统的耦合度。命令模式能将调用操作的对象与实现该操作的对象解耦。
• 增加或删除命令非常方便。采用命令模式增加与删除命令不会影响其他类，它满足“开闭原则”，对扩展比较灵活。
• 可以实现宏命令。命令模式可以与组合模式结合，将多个命令装配成一个组合命令，即宏命令。
• 方便实现 Undo 和 Redo 操作。命令模式可以与后面介绍的备忘录模式结合，实现命令的撤销与恢复。

其缺点是：

• 可能产生大量具体命令类。因为计对每一个具体操作都需要设计一个具体命令类，这将增加系统的复杂性。

命令模式的应用场景

• 当系统需要将请求调用者与请求接收者解耦时，命令模式使得调用者和接收者不直接交互。
• 当系统需要随机请求命令或经常增加或删除命令时，命令模式比较方便实现这些功能。
• 当系统需要执行一组操作时，命令模式可以定义宏命令来实现该功能。
• 当系统需要支持命令的撤销（Undo）操作和恢复（Redo）操作时，可以将命令对象存储起来，采用备忘录模式来实现。

4.责任链模式（职责链模式）

定义

责任链（Chain of Responsibility）模式的定义：为了避免请求发送者与多个请求处理者耦合在一起，将所有请求的处理者通过前一对象记住其下一个对象的引用而连成一条链；当有请求发生时，可将请求沿着这条链传递，直到有对象处理它为止。

优缺点

责任链模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 降低了对象之间的耦合度。该模式使得一个对象无须知道到底是哪一个对象处理其请求以及链的结构，发送者和接收者也无须拥有对方的明确信息。
• 增强了系统的可扩展性。可以根据需要增加新的请求处理类，满足开闭原则。
• 增强了给对象指派职责的灵活性。当工作流程发生变化，可以动态地改变链内的成员或者调动它们的次序，也可动态地新增或者删除责任。
• 责任链简化了对象之间的连接。每个对象只需保持一个指向其后继者的引用，不需保持其他所有处理者的引用，这避免了使用众多的 if 或者 if···else 语句。
• 责任分担。每个类只需要处理自己该处理的工作，不该处理的传递给下一个对象完成，明确各类的责任范围，符合类的单一职责原则。

其主要缺点如下：

• 不能保证每个请求一定被处理。由于一个请求没有明确的接收者，所以不能保证它一定会被处理，该请求可能一直传到链的末端都得不到处理。
• 对比较长的职责链，请求的处理可能涉及多个处理对象，系统性能将受到一定影响。
• 职责链建立的合理性要靠客户端来保证，增加了客户端的复杂性，可能会由于职责链的错误设置而导致系统出错，如可能会造成循环调用。

模式的应用场景

• 有多个对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求由运行时刻自动确定。
• 可动态指定一组对象处理请求，或添加新的处理者。
• 在不明确指定请求处理者的情况下，向多个处理者中的一个提交请求。

5.状态模式

定义

状态（State）模式的定义：对有状态的对象，把复杂的“判断逻辑”提取到不同的状态对象中，允许状态对象在其内部状态发生改变时改变其行为。

优缺点

状态模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 状态模式将与特定状态相关的行为局部化到一个状态中，并且将不同状态的行为分割开来，满足“单一职责原则”。
• 减少对象间的相互依赖。将不同的状态引入独立的对象中会使得状态转换变得更加明确，且减少对象间的相互依赖。
• 有利于程序的扩展。通过定义新的子类很容易地增加新的状态和转换。

状态模式的主要缺点如下：

• 状态模式的使用必然会增加系统的类与对象的个数。
• 状态模式的结构与实现都较为复杂，如果使用不当会导致程序结构和代码的混乱。

状态模式的应用场景

通常在以下情况下可以考虑使用状态模式。

• 当一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为时，就可以考虑使用状态模式。
• 一个操作中含有庞大的分支结构，并且这些分支决定于对象的状态时。

6.观察者模式（Observer模式）

定义

观察者（Observer）模式的定义：指多个对象间存在一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。这种模式有时又称作发布-订阅模式、模型-视图模式，它是对象行为型模式。

优缺点

观察者模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 降低了目标与观察者之间的耦合关系，两者之间是抽象耦合关系。
• 目标与观察者之间建立了一套触发机制。

它的主要缺点如下：

• 目标与观察者之间的依赖关系并没有完全解除，而且有可能出现循环引用。
• 当观察者对象很多时，通知的发布会花费很多时间，影响程序的效率。

模式的应用场景

• 对象间存在一对多关系，一个对象的状态发生改变会影响其他对象。
• 当一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一方面时，可将这二者封装在独立的对象中以使它们可以各自独立地改变和复用。

7.中介者模式

定义

中介者（Mediator）模式的定义：定义一个中介对象来封装一系列对象之间的交互，使原有对象之间的耦合松散，且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式又叫调停模式，它是迪米特法则的典型应用。

优缺点

其主要优点如下：

• 降低了对象之间的耦合性，使得对象易于独立地被复用。
• 将对象间的一对多关联转变为一对一的关联，提高系统的灵活性，使得系统易于维护和扩展。

其主要缺点是：

• 当同事类太多时，中介者的职责将很大，它会变得复杂而庞大，以至于系统难以维护。

模式的应用场景

• 当对象之间存在复杂的网状结构关系而导致依赖关系混乱且难以复用时。
• 当想创建一个运行于多个类之间的对象，又不想生成新的子类时。

8.迭代器模式

定义

迭代器（Iterator）模式的定义：提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。

优缺点

迭代器模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。
• 遍历任务交由迭代器完成，这简化了聚合类。
• 它支持以不同方式遍历一个聚合，甚至可以自定义迭代器的子类以支持新的遍历。
• 增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码。
• 封装性良好，为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口。

其主要缺点是：

• 增加了类的个数，这在一定程度上增加了系统的复杂性。

模式的应用场景

• 当需要为聚合对象提供多种遍历方式时。
• 当需要为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口时。
• 当访问一个聚合对象的内容而无须暴露其内部细节的表示时。

由于聚合与迭代器的关系非常密切，所以大多数语言在实现聚合类时都提供了迭代器类，因此大数情况下使用语言中已有的聚合类的迭代器就已经够了。

9.访问者模式（Visitor模式）

定义

访问者（Visitor）模式的定义：将作用于某种数据结构中的各元素的操作分离出来封装成独立的类，使其在不改变数据结构的前提下可以添加作用于这些元素的新的操作，为数据结构中的每个元素提供多种访问方式。它将对数据的操作与数据结构进行分离，是行为类模式中最复杂的一种模式。

优缺点

访问者（Visitor）模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 扩展性好。能够在不修改对象结构中的元素的情况下，为对象结构中的元素添加新的功能。
• 复用性好。可以通过访问者来定义整个对象结构通用的功能，从而提高系统的复用程度。
• 灵活性好。访问者模式将数据结构与作用于结构上的操作解耦，使得操作集合可相对自由地演化而不影响系统的数据结构。
• 符合单一职责原则。访问者模式把相关的行为封装在一起，构成一个访问者，使每一个访问者的功能都比较单一。

访问者（Visitor）模式的主要缺点如下：

• 增加新的元素类很困难。在访问者模式中，每增加一个新的元素类，都要在每一个具体访问者类中增加相应的具体操作，这违背了“开闭原则”。
• 破坏封装。访问者模式中具体元素对访问者公布细节，这破坏了对象的封装性。
• 违反了依赖倒置原则。访问者模式依赖了具体类，而没有依赖抽象类。

模式的应用场景

通常在以下情况可以考虑使用访问者（Visitor）模式。

• 对象结构相对稳定，但其操作算法经常变化的程序。
• 对象结构中的对象需要提供多种不同且不相关的操作，而且要避免让这些操作的变化影响对象的结构。
• 对象结构包含很多类型的对象，希望对这些对象实施一些依赖于其具体类型的操作。

10.备忘录模式

定义

备忘录（Memento）模式的定义：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态，以便以后当需要时能将该对象恢复到原先保存的状态。该模式又叫快照模式。

优缺点

备忘录模式是一种对象行为型模式，其主要优点如下：

• 提供了一种可以恢复状态的机制。当用户需要时能够比较方便地将数据恢复到某个历史的状态。
• 实现了内部状态的封装。除了创建它的发起人之外，其他对象都不能够访问这些状态信息。
• 简化了发起人类。发起人不需要管理和保存其内部状态的各个备份，所有状态信息都保存在备忘录中，并由管理者进行管理，这符合单一职责原则。

其主要缺点是：

• 资源消耗大。如果要保存的内部状态信息过多或者特别频繁，将会占用比较大的内存资源。

模式的应用场景

• 需要保存与恢复数据的场景，如玩游戏时的中间结果的存档功能。
• 需要提供一个可回滚操作的场景，如 Word、记事本、Photoshop，Eclipse 等软件在编辑时按 Ctrl+Z 组合键，还有数据库中事务操作。

11.解释器模式

定义

解释器（Interpreter）模式的定义：给分析对象定义一个语言，并定义该语言的文法表示，再设计一个解析器来解释语言中的句子。也就是说，用编译语言的方式来分析应用中的实例。这种模式实现了文法表达式处理的接口，该接口解释一个特定的上下文。

优缺点

解释器模式是一种类行为型模式，其主要优点如下：

• 扩展性好。由于在解释器模式中使用类来表示语言的文法规则，因此可以通过继承等机制来改变或扩展文法。
• 容易实现。在语法树中的每个表达式节点类都是相似的，所以实现其文法较为容易。

解释器模式的主要缺点如下：

• 执行效率较低。解释器模式中通常使用大量的循环和递归调用，当要解释的句子较复杂时，其运行速度很慢，且代码的调试过程也比较麻烦。
• 会引起类膨胀。解释器模式中的每条规则至少需要定义一个类，当包含的文法规则很多时，类的个数将急剧增加，导致系统难以管理与维护。
• 可应用的场景比较少。在软件开发中，需要定义语言文法的应用实例非常少，所以这种模式很少被使用到。

模式的应用场景

• 当语言的文法较为简单，且执行效率不是关键问题时。
• 当问题重复出现，且可以用一种简单的语言来进行表达时。
• 当一个语言需要解释执行，并且语言中的句子可以表示为一个抽象语法树的时候，如 XML 文档解释。

注意：解释器模式在实际的软件开发中使用比较少，因为它会引起效率、性能以及维护等问题。如果碰到对表达式的解释，在 Java 中可以用 Expression4J 或 Jep 等来设计。

模式的扩展

在项目开发中，如果要对数据表达式进行分析与计算，无须再用解释器模式进行设计了，Java 提供了以下强大的数学公式解析器：Expression4J、MESP(Math Expression String Parser) 和 Jep 等，它们可以解释一些复杂的文法，功能强大，使用简单。

现在以 Jep 为例来介绍该工具包的使用方法。Jep 是 Java expression parser 的简称，即 Java 表达式分析器，它是一个用来转换和计算数学表达式的 Java 库。通过这个程序库，用户可以以字符串的形式输入一个任意的公式，然后快速地计算出其结果。而且 Jep 支持用户自定义变量、常量和函数，它包括许多常用的数学函数和常量。

使用前先下载 Jep 压缩包，解压后，将 jep-x.x.x.jar 文件移到选择的目录中，在 Eclipse 的“Java 构建路径”对话框的“库”选项卡中选择“添加外部 JAR(X)…”，将该 Jep 包添加项目中后即可使用其中的类库。

下面以计算存款利息为例来介绍。存款利息的计算公式是：本金x利率x时间=利息，其相关代码如下：

    import com.singularsys.jep.*;
    public class JepDemo
    {
     
     
        public static void main(String[] args) throws JepException
        {
     
     
            Jep jep=new Jep();
            //定义要计算的数据表达式
            String 存款利息="本金*利率*时间";
            //给相关变量赋值
            jep.addVariable("本金",10000);
            jep.addVariable("利率",0.038);
            jep.addVariable("时间",2);
            jep.parse(存款利息);    //解析表达式
            Object accrual=jep.evaluate();    //计算
            System.out.println("存款利息："+accrual);
        }
    } ```


程序运行结果如下：

存款利息：760.0

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总结

学习设计模式是Java后端开发者的必修课，它将指导影响你以后写代码的思路，同时帮助你设计出一个好的系统。
对于初学者而言，设计模式的东西可能会看不太懂，所以建议初学者最好是学完Java基础，有一点底子了再看，那样看起来才有感觉，才容易理解设计模式的设计思想。

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愿我们能以梦为马，不负人生韶华。
与君共勉！