设计模式概要

面向对象设计原则与模式概述

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于 2021-09-09 17:13:47 首次发布

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文章目录

零、Demo代码

个人github仓库demo 代码演示

一、UML类图

uml类图时序图

二、六大原则

开闭原则
一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。即软件实体应尽量在不修改原有代码的情况下进行扩展。
为了满足开闭原则，需要对系统进行抽象化设计，抽象化是开闭原则的关键。在Java、C#等编程语言中，可以为系统定义一个相对稳定的抽象层，而将不同的实现行为移至具体的实现层中完成。在很多面向对象编程语言中都提供了接口、抽象类等机制，可以通过它们定义系统的抽象层，再通过具体类来进行扩展。如果需要修改系统的行为，无须对抽象层进行任何改动，只需要增加新的具体类来实现新的业务功能即可，实现在不修改已有代码的基础上扩展系统的功能，达到开闭原则的要求。
优点：实践开闭原则的优点在于可以在不改动原有代码的前提下给程序扩展功能。增加了程序的可扩展性，同时也降低了程序的维护成本。
里氏替换原则
所有引用基类对象的地方能够透明地使用其子类的对象
里氏代换原则告诉我们，在软件中将一个基类对象替换成它的子类对象，程序将不会产生任何错误和异常，反过来则不成立，如果一个软件实体使用的是一个子类对象的话，那么它不一定能够使用基类对象。例如：我喜欢动物，那我一定喜欢狗，因为狗是动物的子类。但是我喜欢狗，不能据此断定我喜欢动物，因为我并不喜欢老鼠，虽然它也是动物。
例如有两个类，一个类为BaseClass，另一个是SubClass类，并且SubClass类是BaseClass类的子类，那么一个方法如果可以接受一个BaseClass类型的基类对象base的话，如：method1(base)，那么它必然可以接受一个BaseClass类型的子类对象sub，method1(sub)能够正常运行。反过来的代换不成立，如一个方法method2接受BaseClass类型的子类对象sub为参数：method2(sub)，那么一般而言不可以有method2(base)，除非是重载方法。
里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。
优点：可以检验继承使用的正确性，约束继承在使用上的泛滥。
依赖倒置原则
抽象不应该依赖于具体类，具体类应当依赖于抽象。换言之，要针对接口编程，而不是针对实现编程。
依赖倒转原则要求我们在程序代码中传递参数时或在关联关系中，尽量引用层次高的抽象层类，即使用接口和抽象类进行变量类型声明、参数类型声明、方法返回类型声明，以及数据类型的转换等，而不要用具体类来做这些事情。为了确保该原则的应用，一个具体类应当只实现接口或抽象类中声明过的方法，而不要给出多余的方法，否则将无法调用到在子类中增加的新方法。
在引入抽象层后，系统将具有很好的灵活性，在程序中尽量使用抽象层进行编程，而将具体类写在配置文件中，这样一来，如果系统行为发生变化，只需要对抽象层进行扩展，并修改配置文件，而无须修改原有系统的源代码，在不修改的情况下来扩展系统的功能，满足开闭原则的要求。
优点：通过抽象来搭建框架，建立类和类的关联，以减少类间的耦合性。而且以抽象搭建的系统要比以具体实现搭建的系统更加稳定，扩展性更高，同时也便于维护。
单一职责原则
一个类只负责一个功能领域中的相应职责，或者可以定义为：就一个类而言，应该只有一个引起它变化的原因。
单一职责原则告诉我们：一个类不能太“累”！在软件系统中，一个类（大到模块，小到方法）承担的职责越多，它被复用的可能性就越小，而且一个类承担的职责过多，就相当于将这些职责耦合在一起，当其中一个职责变化时，可能会影响其他职责的运作，因此要将这些职责进行分离，将不同的职责封装在不同的类中，即将不同的变化原因封装在不同的类中，如果多个职责总是同时发生改变则可将它们封装在同一类中。
单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针，它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，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实践经验。
优点：如果类与方法的职责划分得很清晰，不但可以提高代码的可读性，更实际性地更降低了程序出错的风险，因为清晰的代码会让 bug 无处藏身，也有利于 bug 的追踪，也就是降低了程序的维护成本。
迪米特法则（最少知道原则）
一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用
如果一个系统符合迪米特法则，那么当其中某一个模块发生修改时，就会尽量少地影响其他模块，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，迪米特法则要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。迪米特法则可降低系统的耦合度，使类与类之间保持松散的耦合关系。
迪米特法则要求我们在设计系统时，应该尽量减少对象之间的交互，如果两个对象之间不必彼此直接通信，那么这两个对象就不应当发生任何直接的相互作用，如果其中的一个对象需要调用另一个对象的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。简言之，就是通过引入一个合理的第三者来降低现有对象之间的耦合度。
在将迪米特法则运用到系统设计中时，要注意下面的几点：在类的划分上，应当尽量创建松耦合的类，类之间的耦合度越低，就越有利于复用，一个处在松耦合中的类一旦被修改，不会对关联的类造成太大波及。在类的结构设计上，每一个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限。在类的设计上，只要有可能，一个类型应当设计成不变类。在对其他类的引用上，一个对象对其他对象的引用应当降到最低。
优点：实践迪米特法则可以良好地降低类与类之间的耦合，减少类与类之间的关联程度，让类与类之间的协作更加直接。
接口分离原则
使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口，即客户端不应该依赖那些它不需要的接口。
根据接口隔离原则，当一个接口太大时，我们需要将它分割成一些更细小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。每一个接口应该承担一种相对独立的角色，不干不该干的事，该干的事都要干。
在使用接口隔离原则时，我们需要注意控制接口的粒度，接口不能太小，如果太小会导致系统中接口泛滥，不利于维护。接口也不能太大，太大的接口将违背接口隔离原则，灵活性较差，使用起来很不方便。
优点：避免同一个接口里面包含不同类职责的方法，接口责任划分更加明确，符合高内聚低耦合的思想。
合成复用原则（六大之外的）
尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的
合成复用原则就是在一个新的对象里通过关联关系（包括组合关系和聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分，新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用功能的目的。简而言之，复用时要尽量使用组合/聚合关系（关联关系），少用继承。
在面向对象设计中，可以通过两种方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合/聚合关系或通过继承，但首先应该考虑使用组合/聚合，组合/聚合可以使系统更加灵活，降低类与类之间的耦合度。一个类的变化对其他类造成的影响相对较少，其次才考虑继承，在使用继承时，需要严格遵循里氏代换原则，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。
优点：避免复用时滥用继承，合理使用组合关系，增加灵活性。

三、模式分类

《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中设计模式有23个，它们各具特色，每个模式都为某一个可重复的设计问题提供了一套解决方案。根据它们的用途，设计模式可分为创建型(Creational)，结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种，其中创建型模式主要用于描述如何创建对象，结构型模式主要用于描述如何实现类或对象的组合，行为型模式主要用于描述类或对象怎样交互以及怎样分配职责。
此外，根据某个模式主要是用于处理类之间的关系还是对象之间的关系，设计模式还可以分为类模式和对象模式。我们经常将两种分类方式结合使用，如单例模式是对象创建型模式，模板方法模式是类行为型模式。

3.1 创建型

创建型模式(Creational Pattern)对类的实例化过程进行了抽象，能够将模块中对象的创建和对象的使用分离。为了使结构更加清晰，外界对于这些对象只需要知道它们共同的接口，而不清楚其具体的实现细节，使整个系统的设计更加符合单一职责原则。

简单工厂模式（Simple Factory Pattern）
工厂方法模式（Factory Method Pattern）
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
单例模式（Singleton Pattern）
生成器模式（Builder Pattern）
原型模式（Prototype Pattern）

3.2 结构型

结构型模式(Structural Pattern)描述如何将类或者对象结合在一起形成更大的结构，就像搭积木，可以通过简单积木的组合形成复杂的、功能更为强大的结构。结构型模式可以分为类结构型模式和对象结构型模式：

类结构型模式关心类的组合，由多个类可以组合成一个更大的系统，在类结构型模式中一般只存在继承关系和实现关系。
对象结构型模式关心类与对象的组合，通过关联关系使得在一个类中定义另一个类的实例对象，然后通过该对象调用其方法。
根据“合成复用原则”，在系统中尽量使用关联关系来替代继承关系，因此大部分结构型模式都是对象结构型模式。