设计模式概述总览

其他 2021-01-30 06:51
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学习设计模式的笔记，多多交流，谢谢。

概述

1.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。
 

2.学习设计模式的意义

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。
  • 可以提高程序员的思维能力，编程能力和设计能力
  • 使程序员更加标准化、代码编程更加工程化，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
 

3.软件设计模式的基本要素

基本要素 ：模式名称、别名、动机、问题、解决方案、效果、结构、模式角色、合作关系、实现方法、适用性、已知应用、例程、模式扩展和相关模式等
主要部分：
  1. 模式名称（PatternName）有助于我们理解和记忆该模式，也方便我们讨论自己的设计。
  2. 问题（Problem）描述了该模式的应用环境，ji何时使用该模式。它解释了设计问题和问题存在的前因后果，以及必须满足的一系列先决条件。
  3. 解决方案（Solution）包括设计的组成部分、它们之间的相互关系及各自的职责和协作方式。提供设计问题的抽象描述和怎样用一个居右一般意义的元素组合来解决这个问题。
  4. 效果（Consequence）描述了模式的应用效果以及使用该模式应该权衡的问题，ji模式的优缺点。主要是对时间和空间的衡量，以及该模式对系统的灵活性、扩充性、可移植性的影响，也考虑其实现问题。

4.设计模式的分类

设计模式有两种分类的方法，即根据模式的目的来分和根据模式的作用范围来分。

1.根据目的来分

根据模式是用来完成什么工作来划分，这种方式可分为创建型模式、结构型模式和行为型模式

  1. 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

  2. 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。

  3. 行为型模式：用于描述类或对象之间怎么相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，以及怎样分配职责。GoF中提供了模版方法、策略、命令、职责链、状态、观察着、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等11种行为型模式。

2.根据作用范围来分

根据模式是主要用于类上还是主要用于对象上来分，这种方式可分为类模式和对象模式两种。

  1. 类模式：用于处理类与之类之间的关系，这些关系通过继承来建立，是静态的，在编译时刻便确定下来了。GoF中的工厂方法、（类）适配器、模版方法、解释器属于该模式。

  2. 对象模式：用于处理对象之间的关系，这些关系可以通过组合或聚合来实现，在运行时刻是可以变化的，更具动态性。GoF中除了以上4种，其他的都是对象模式。

范围\目的

创建型模式

结构型模式

行为型模式

类模式

工厂方法

(类）适配器

模板方法、解释器

对象模式

单例

原型

抽象工厂

建造者

代理

(对象）适配器

桥接

装饰

外观

享元

组合

策略

命令

职责链

状态

观察者

中介者

迭代器

访问者

备忘录

3.GoF的23种设计模式的功能

  1. 单例模式（Singleton）；某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。

  2. 原型模式（Prototype）：讲一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。

  3. 工厂方法模式（Factory Method）：定义一个用于创建产品的接口，由子类决定生产什么产品。

  4. 抽象工厂模式（AbstractFactory）：提供一个创建产品族的接口，其每个子类可以生产一系列相关的产品。

  5. 建造者模式（Builder）：讲一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。

  6. 代理模式（Proxy）：为某对象体用一种代理以控制对该对象的访问。即客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。

  7. 适配器模式（Adapter）：讲一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，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。

  8. 桥接模式（Bridge）：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。他是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。

  9. 装饰模式（Decorator）：动态的给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。

  10. 外观模式（Facade）：为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，使这些子系统更加容易被访问。

  11. 享元模式（Flyweight）：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。

  12. 组合模式（Composite）：将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一定的访问性。

  13. 模版方法模式（Template Methd）：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新定义该算法的某些特定步骤。

  14. 策略模式（Strategy）：定义了一些列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，切算法的改变不会影响使用算法的客户。

  15. 命令模式（Conmmand）：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。

  16. 职责链模式（Chain of Responsibility）：把请求从链中的一个对象传到下一个对象，直到请求被响应为止。通过这种方式去除对象之间的耦合。

  17. 状态模式（State）：允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为能力。

  18. 观察者模式（Obsever）：多个对象间存在一对多关系，当一个对象改变时，把这种改变通知给其他多个对象，从而影响其他对象的行为。

  19. 中介者模式（Mediator）：定一个中介对象来简化原有对象之间的交互关系，降低系统中对象间的耦合度，使原有对象之间不必相互了解。

  20. 迭代器模式（Iterator）：提供一种方法来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴漏聚合对象的内部表示。

  21. 访问者模式（Visitor）：在不改变集合元素的前提下，为一个集合中的每个元素提供多种访问方式，即每个元素有多个访问者对象访问。

  22. 备忘录模式（Memento）：在不破坏封装性的前提下，获取并保存一个对象的内部状态，以便以后恢复它。

  23. 解释器模式（Interpreter）：提供如何定义语言的方法，以及对语言句子的解释方法，即解释器。

设计模式七大原则

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 7 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（OCP）、里氏替换原则（LSP）、依赖倒置原则（DIP）、单一职责原则（SRP）、接口隔离原则（ISP）、 迪米特法则（LoD）、 合成复用原则（CRP）

 

1.开闭原则

开闭原则（Open Closed Priciple,OCP）定义 ：软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。
 
这里的软件实体包括：项目中划分处的模块、类与接口、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。
 
开闭原则的作用
  1. 对软件测试的影响：软件遵守开闭原则的话，软件测试时只需要对扩展的代码进行测试即可，因为原有的测试代码仍然能够正常运行。
  2. 可以提高代码的可复用性：粒度越小，被复用的可能性就越大；在面向对象的程序设计中，根据原子和抽象变成可以提高代码的可复用性。
  3. 可以提供软件的可维护性：遵守开闭原则的软件，其稳定性高和延续性强，从而易于扩展和维护。
 
开闭原则的实现方法
       可以通过“ 抽象约束、封装变化”来实现开闭原则，即通过接口或者抽象类为软件实体定义一个相对稳定的抽象层，而将相同的可变因素封装在相同的具体实现类中。
 
        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。
 

2.里氏替换原则

里氏替换原则（Liskov Substitution Priciple,LSP）定义： 继承必须确保超类所拥有的性质在子类中仍然成立。
 
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
 
 
里氏替换原则的作用
  1. 里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。
  2. 它克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。
  3. 它是动作正确性的保证。即类的扩展不会给已有的系统引入新的错误，降低了代码出错的可能性。
  4. 加强程序的健壮性，同时变更时可以做到非常好的兼容性，提高程序的维护性，可扩展性，降低需求变更时引入的风险。
 
里氏替换原则的实现方法  正方形不是长方形
 
  • 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
 
如果程序违背了里氏替换原则，则继承类的对象在基类出现的地方会出现运行错误。这时其修正方法是：取消原来的继承关系，重新设计它们之间的关系。
 

3.依赖倒置原则

依赖倒置原则（Dependence Inversion Prociple,DIP）定义：高层模块不应该依赖底层模块，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。 其核心思想是：要面向接口编程，不要面向实现编程。
 
依赖倒置原则的作用
  • 依赖倒置原则可以降低类间的耦合性
  • 依赖倒置原则可以提高系统的稳定性
  • 依赖倒置原则可以减少并行开发引起的风险
  • 依赖倒置原则可以提高代码的可读性和维护性
 
依赖倒置原则的实现方法
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四点，
  1. 每个类尽量提供接口或抽象类，或者两者都具备。
  2. 变量的声明类型尽量是接口或者抽象类。
  3. 任何类都不应该从具体类派生。
  4. 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 Priciple,SRP）又称单一功能原则，定义： 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。
 
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：
  1. 一个职责的变化可能削弱或抑制这个类实现其他职责的能力；
  2. 当客户端需要该对象的某一职责时，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者代码的浪费。
 
单一职责原则的优点
单一职责的核心就是控制类的粒度大小、将对象解耦、提高其内聚性。如果遵循单一职责原则有以下优点：
  • 降低类的复杂度，一个类只负责一项职责其逻辑肯定要比负责多项职责简单的多。
  • 提高类的可读性，复杂度降低，自然可读性会提高。
  • 提高系统的可维护性，可读性提高，那自然更容易维护了。
  • 变更引起的风险降低。变更是必然的，如果单一职责原则遵守的好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响
 
单一职责原则的实现方法
单一职责原则是最简单但又最难运用的原则，需要设计人员发现类的不同职责并将其分离，再封装到不同的类或模块中。而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关重构经验。
 
注意：单一职责同样也适用于方法。一个方法应该尽可能做好一件事情。如果一个方法处理的事情太多，其颗粒度会变得很粗，不利于重用。
 

5.接口隔离原则

接口隔离原则（Interface Segrefation Priciplem，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。定义： 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。
 
以上连个定义的含义是：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原则比较
相同：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；
不同：
  • 单一职责原则注重的是职责，而接口隔离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。
 
接口隔离原则的优点
接口隔离原则是为了约束接口、降低类对接口的依赖性，遵循接口隔离原则有以下5个优点：
  1. 将臃肿庞大的接口分解为多个粒度小的接口，可以预防外来变更的扩散，提高系统的灵活性和可维护性
  2. 接口隔离提高了系统的内聚性，减少了对外交互，降低了系统的耦合性。
  3. 如果接口的粒度大小定义合理，能够保证系统的稳定性；但是，如果接口定义过小，则会造成接口的数量过多，使设计复杂化；如果定义过大，灵活性降低，无法提供定制服务，给整体项目带来无法预料的风险。
  4. 使用多个专门的接口还能体现对象的层次，因为可以通过接口的继承，实现对总接口的定义。
  5. 能减少项目工程中的代码冗余。过大的大街口里面通常放置许多不同的方法，当实现这个接口的时候，被迫设计冗余的代码。
 
接口隔离原则的实现方法
  • 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。
  • 为了依赖接口定制服务。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，审深入了解业务逻辑。
  • 提高内聚，减少对外交互，使接口用最少的方法完成最多的事情。
 

6.迪米特法则

迪米特法则（Law of Demeter,LoD）又叫做最少知识法则（Least Knowledge Principle，LKP）定义：只与你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话。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。
 
迪米特法则的优点
迪米特法则要求限制软件实体之间的通信的宽度和深度，正确使用迪米特法则将有以下两个优点：
  1. 降低了类之间的耦合度，提高了模块的相对独立性。
  2. 由于亲和度降低，从而提高了类的可复用率和系统的扩展性。
 
但是，过度使用迪米特法则会使系统产生大量的中介类，从而增加系统的复杂性，使模块之间的通信效率降低。所以，在釆用迪米特法则时 需要反复权衡，确保高内聚和低耦合的同时，保证系统的结构清晰。
 
迪米特法则的实现方法
迪米特法则强调：
  1. 从依赖者的角度来说，只依赖应该依赖的对象。
  2. 从被依赖者的角度说，只暴露应该暴露的方法。
 
运用迪米特法则时需要注意以下6点：
  1. 在类的划分上，应该创建弱耦合的类。类与类之间的耦合度越弱，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）又叫做组合/聚合复用原则（Composite/Aggregate Reuse Principl，CARP）定义：在软件复用时， 要尽量先试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，两者都是开闭原则的具体实现规范。
 
合成复用原则的重要性
通常类的复用分为继承复用和合成复用，继承复用虽然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漏给子类，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搞。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，它有一下优点：
  1. 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对线看不见的，所以这种复用又称为“黑箱”复用。
  2. 新旧类之间的耦合度低。这种复用所需的依赖较少，新对象存取成分的唯一方法是通过成分对象的接口。
  3. 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态的引用与成分对象类型相同的对象。
 
合成复用原则的实现方法
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。
 
 

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