设计模式概述

Posted 2020-12-17 dqsbk

 

一、概述

1. 什么是设计模式

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。

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。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。

当然，软件设计模式只是一个引导。在具体的软件幵发中，必须根据设计的应用系统的特点和要求来恰当选择。对于简单的程序开发，苛能写一个简单的算法要比引入某种设计模式更加容易。但对大项目的开发或者框架设计，用设计模式来组织代码显然更好。

二、设计模式分类

1. 按照目的划分

使用设计模式时根据使用该模式的目的划分，可以将设计模式划分为三种类型，分别是创建型模式、结构型模式 和行为型模式。

• 创建型模式：

  创建型模式用于描述“怎样创建对象”，它的特点是"将对象的使用和创建分离",GoF共提供了5种创建型模式：

  • 单例模式

  • 原型模式

  • 工厂模式

  • 抽象工厂模式

  • 建造者模式

• 结构型模式：

  结构型模式用于将类或对象按照某种布局组合成更大的结构，GoF种共提供了7种结构型模式：

  • 代理模式

  • 适配器模式

  • 桥接模式

  • 装饰器模式

  • 外观模式

  • 享元模式

  • 组合模式

• 行为型模式：

  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都无法单独完成的任务，以及怎样分配职责 ，GoF种共提供了11种行为型模式：

  • 模板方法模式

  • 策略模式

  • 命令模式

  • 职责链模式

  • 状态模式

  • 观察者模式

  • 中介者模式

  • 迭代器模式

  • 访问者模式

  • 备忘录模式

  • 解释器模式

2. 按照作用范围划分

根据模式是作用在类上还是对象上来划分，将设计模式分为类模式和对象模式两种。

• 类模式

  用于处理类和子类之间的关系，通过继承来建立，并且是静态的，在编译时便确定下来。共有4种设计模式属于类模式：工厂模式、适配器模式、模板方法模式、解释器模式。

• 对象模式

  用于处理对象之间的关系，这些关系可以通过聚合或组合来实现，运行时是可变化的，具有动态性。GoF种除了上述4种类模式之外全部属于对象模式。

三、23种设计模式简述

模式名	英文	简述
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。
原型模式	Prototype	将一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
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。
抽象工厂模式	Abstract Factory	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。
建造者模式	Builder	将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。
代理模式	Proxy	为某对象提供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。
适配器模式	Adapter	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。
桥接模式	Bridge	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。
装饰器模式	Decorator	动态的给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。
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。
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。
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致的访问性。
模板方法模式	Template Method	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。
策略模式	Strategy	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，且算法的改变不会影响使用算法的客户。
命令模式	Command	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。
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。
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。
观察者模式	Observer	多个对象间存在一对多关系，当一个对象发生改变时，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。
中介者模式	Mediator	定义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。
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，而不暴露聚合对象的内部表示。
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。
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。
解释器模式	Interpreter	提供如何定义语言的文法，以及对语言句子的解释方法，即解释器。

四、设计模式原则

1. 开闭原则

概念与意义

开闭原则即: 软件实体应当对扩展开放，对修改关闭 .换句话说,开闭原则即是软件的应用需求改变时,在不修改软件源代码的情况下,通过扩展模块的功能,使其满足新需求的功能.

作用

开闭原则使软件实体拥有一定的适应性、灵活性、稳定性和延续性，具体表现的作用如下：

• 方便代码测试

  软件遵守开闭原则后,在测试时只需要对新扩展代码进行测试,而不必重新测试已有代码。

• 提高代码复用性

  代码粒度越小，则代码的可复用性越好。

• 提高软件可维护性

  遵守开闭原则，软件的稳定性和灵活性提高，从而易于维护和扩展。

实现方法

通过抽象约束、封装变化的方法来实现开闭原则。

• 抽象约束

  通过接口或抽象类为软件实体定义一个相对稳定的抽象层，用来约束子类。

• 封装变化

  将功能方法封装在抽象约束的接口/抽象类的子类中，这样接口或抽象类的方法可以保持不变，而每增加一个新需求可以通过创建一个新的实现该接口/抽象类的子类来满足需求。

2. 里氏替换原则

概念与意义

里氏替换原则即： 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）。

作用

• 里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。

• 它克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。

• 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。

实现方法

里氏替换原则的具体实现方法在实践中即是：子类可以扩展父类的功能，但是不能改变父类的功能 ，也就是继承不重写

3. 依赖倒置原则

概念与意义

依赖倒置原则即：

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。

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可维护性。

实现方法

依赖倒置原则可以通过面向接口编程来降低类之间的耦合性，实现方法如下：

• 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

概念

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）

作用

• 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得多。

• 提高类的可读性。复杂性降低，自然其可读性会提高。

• 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得好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响。

实现方法

单一职责原则的核心就是控制类的粒度大小、将对象解耦、提高其内聚性。在实践过程中应该把握类的功能，将类的不同职责分离后，再封装到其他的类中。即类只具有符合其自身职责的功能，不属于其自身职责的功能应拆分到其他类中实现。

5. 接口隔离原则

概念

接口隔离原则要求开发者尽可能将功能庞大的接口拆分成更小、更具体的接口。其接口中只包含让使用该接口的客户端感兴趣的方法。即：

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）

作用

• 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。

• 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。

• 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，如果定义过小，则会造成接口数量过多，使设计复杂化；如果定义太大，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。

• 使用多个专门的接口还能够体现对象的层次，因为可以通过接口的继承，实现对总接口的定义。

• 能减少项目工程中的代码冗余。过大的大接口里面通常放置许多不用的方法，当实现这个接口的时候，被迫设计冗余的代码。

实现方法

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

概念

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。

作用

• 降低了类之间的耦合度，提高了模块的相对独立性。

• 由于亲合度降低，从而提高了类的可复用率和系统的扩展性。

实现方法

从迪米特法则的定义和特点可知，它强调以下两点：

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。

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

概念

合成复用原则：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。

作用

• 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。

• 新旧类之间的耦合度低。这种复用所需的依赖较少，新对象存取成分对象的唯一方法是通过成分对象的接口。

• 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。

实现方法

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。

五、参考资料

• 菜鸟教程

• C语言中文网