浅谈设计模式

最新推荐文章于 2025-07-28 09:20:38 发布

原创最新推荐文章于 2025-07-28 09:20:38 发布 · 622 阅读

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设计模式（Design Patterns）是指在软件设计中，针对特定问题的最佳实践解决方案。它们是经过反复验证的，旨在提升软件的可重用性、可维护性和灵活性。设计模式通常分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。以下是常见的23种设计模式及其简介：

一、创建型模式（Creational Patterns）

1. 单例模式（Singleton Pattern）

作用：

确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。

优点：

可以确保某个类在整个程序中只有一个实例，避免内存浪费。
适合管理共享资源（如数据库连接池、配置文件读取等）。

缺点：

隐藏了类的实例化过程，难以进行单元测试。
如果不小心实现，可能会导致线程安全问题。

常见应用场景：

配置管理器、日志管理器、数据库连接池。

2. 工厂方法模式（Factory Method Pattern）

作用：

定义一个创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个类。

优点：

将对象的创建过程延迟到子类，符合开闭原则。
可以避免复杂的构造函数和依赖。

缺点：

需要大量的子类来实现具体的工厂方法。
增加了系统的复杂性。

常见应用场景：

UI组件库中的不同按钮、操作系统中的不同UI元素。

3. 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

作用：

提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而无需指定具体类。

优点：

将多个产品族的创建逻辑集中管理，避免产品家族之间的耦合。
符合开闭原则，可以在不修改代码的情况下增加新的产品族。

缺点：

增加了系统的复杂度，使用时需要额外的工厂类。
如果产品家族较多，可能会导致工厂类数量暴增。

常见应用场景：

跨平台UI组件库、操作系统的硬件抽象层。

4. 建造者模式（Builder Pattern）

作用：

使用多个简单的对象一步步构建成一个复杂的对象。

优点：

客户端不需要了解构建细节，简化了对象的创建过程。
可以使用不同的建造方式来生成不同类型的对象。

缺点：

对于复杂对象的构建来说，可能需要很多的“建造者”类，导致代码冗长。
不适合在对象很简单时使用。

常见应用场景：

HTML文档生成、复杂对象的序列化（如XML、JSON）。

5. 原型模式（Prototype Pattern）

作用：

通过复制现有的实例来创建新的对象，而不是通过构造器创建。

优点：

可以通过复制现有对象，避免重复创建对象的开销。
对象的创建和初始化过程较为复杂时，原型模式能够减少构建的复杂性。

缺点：

需要为对象定义“克隆”接口。
对象中的引用类型成员可能导致浅拷贝问题。

常见应用场景：

需要重复创建大量相似对象时（如图形对象、数据库记录的复制）。

二、结构型模式（Structural Patterns）

1. 适配器模式（Adapter Pattern）

作用：

将一个类的接口转换成客户端期望的接口，使得两个不兼容的接口可以工作。

优点：

适配器模式可以帮助老代码与新代码兼容。
提高系统的灵活性，增加可重用性。

缺点：

增加了一层额外的接口，可能导致系统结构复杂化。
如果接口差异过大，适配器会变得很复杂。

常见应用场景：

旧系统与新系统的接口适配，第三方库接口的适配。

2. 桥接模式（Bridge Pattern）

作用：

通过将抽象部分和实现部分分离，使得两者可以独立变化。

优点：

提高了系统的灵活性，允许独立变化的部分不再耦合。
遵循了开闭原则，方便扩展。

缺点：

需要在系统中增加更多的类。
如果抽象层次过多，可能导致设计复杂。

常见应用场景：

图形绘制系统，设备驱动程序。

3. 组合模式（Composite Pattern）

作用：

通过递归组合来构建对象的树形结构，从而使得客户端可以像处理单个对象一样处理组合对象。

优点：

客户端可以一致地对待单个对象和组合对象。
增加了系统的可扩展性，支持新的组件类型。

缺点：

设计较为复杂，尤其是当树形结构过深时。
很难控制所有组合对象的行为。

常见应用场景：

文件系统（文件夹和文件结构）、GUI界面组件。

4. 装饰器模式（Decorator Pattern）

作用：

动态地给对象添加额外的功能，而不改变其结构。

优点：

通过装饰器，可以在不修改现有类的情况下增强功能。
装饰器可以灵活叠加，避免了子类过多的问题。

缺点：

增加了系统的复杂度，尤其是当装饰器层数较多时。
装饰器链可能会导致性能开销。

常见应用场景：

Java I/O中的装饰器（例如：BufferedReader、FileReader等组合）。

5. 外观模式（Facade Pattern）

作用：

为复杂的子系统提供一个统一的接口，使得子系统的使用更简便。

优点：

降低了系统的复杂度，通过简单的接口隐藏复杂的实现。
促进了子系统之间的解耦。

缺点：

如果过度依赖外观类，可能会忽略子系统中有用的功能。
系统扩展性差，所有功能都通过外观类暴露。

常见应用场景：

家庭影院、复杂框架的封装、第三方API的简化接口。

6. 享元模式（Flyweight Pattern）

作用：

通过共享对象来有效地支持大量的细粒度对象，减少内存占用。

优点：

可以节省大量内存，提高系统性能。
通过共享的方式，避免重复创建相同的对象。

缺点：

享元模式要求对象不可变，无法灵活修改。
需要管理共享对象池，增加了复杂度。

常见应用场景：

游戏中相同类型的对象（如敌人、子弹）共享资源。

7. 代理模式（Proxy Pattern）

作用：

为其他对象提供代理，以控制对对象的访问。

优点：

代理可以为真实对象提供保护，延迟加载等功能。
增加了系统的灵活性和控制性。

缺点：

增加了代码复杂度和层次。
代理的使用可能会影响性能。

常见应用场景：

远程代理（远程服务调用）、虚拟代理（延迟加载）、保护代理（权限控制）。

三、行为型模式（Behavioral Patterns）

1. 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）

作用：

通过将请求沿着处理链传递，直到有对象处理它为止。

优点：

责任链模式可以避免多个处理器之间的硬耦合，增加灵活性。
可以动态地增加处理环节。

缺点：

不保证请求最终能被处理，可能导致请求失败。
责任链过长时可能导致性能问题。

常见应用场景：

日志记录、审批流程、过滤器链。

2. 命令模式（Command Pattern）

作用：

将请求封装成对象，从而让你可以使用不同的请求、队列和日志请求，支持可撤销操作。

优点：

支持命令的撤销、重做操作。
可以将请求发送者与接收者解耦。

缺点：

需要为每个请求创建命令类，增加了类的数量。
增加了系统的复杂性。

常见应用场景：

GUI界面的按钮点击、遥控器控制系统、事务管理。

3. 解释器模式（Interpreter Pattern）

作用：

给定一个语言，定义它的文法，并提供一个解释器来解释句子。

优点：

提供了一种易于扩展的方式来处理复杂的语言规则。
易于将新规则添加到现有的解释器中。

缺点：

如果文法复杂，解释器会变得非常复杂。
解析性能可能成为瓶颈。

常见应用场景：

SQL解析器、正则表达式引擎、编程语言解释器。

4. 迭代器模式（Iterator Pattern）

作用：

提供一种方法来顺序访问集合中的元素，而不暴露集合的内部表示。

优点：

可以统一访问集合元素的方式。
使得集合类内部的实现细节对外部透明。

缺点：

如果集合是动态变化的，迭代器可能会失效。
需要为每种集合类实现相应的迭代器。

常见应用场景：

集合类的遍历（如ArrayList、LinkedList的迭代器）。

5. 中介者模式（Mediator Pattern）

作用：

通过定义一个中介者对象来封装一组对象的交互，使得对象不需要直接交互。

优点：

减少了对象之间的耦合。
可以集中控制对象间的交互行为。

缺点：

中介者可能会变得非常复杂。
所有的交互都通过中介者进行，可能导致中介者成为系统的瓶颈。

常见应用场景：

聊天系统、GUI控件的事件处理。

6. 备忘录模式（Memento Pattern）

作用：

在不暴露对象的实现细节的情况下，捕获对象的内部状态，并在之后恢复该状态。

优点：

支持对象状态的恢复（撤销操作）。
可以在对象外部保存状态，便于管理。

缺点：

需要大量的存储空间来保存备忘录。
可能会导致程序设计的复杂度增加。

常见应用场景：

游戏存档、撤销操作、历史记录管理。

7. 观察者模式（Observer Pattern）

作用：

当一个对象状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会自动得到通知并更新。

优点：

观察者和主题对象之间解耦。
可以动态地增加或删除观察者。

缺点：

如果有大量的观察者，可能会导致性能问题。
可能会导致不必要的多次更新。

常见应用场景：

GUI界面的事件处理、消息发布/订阅系统。

8. 状态模式（State Pattern）

作用：

允许对象在内部状态改变时改变其行为，表现得像是改变了一个类。

优点：

可以清晰地表示对象的状态变化，避免使用多重条件语句。
增强了系统的可维护性。

缺点：

增加了类的数量。
状态转换需要小心管理。

常见应用场景：

状态机（如订单、游戏角色的状态管理）。

9. 策略模式（Strategy Pattern）

作用：

定义一系列算法，并将每个算法封装起来，使得它们可以互换。

优点：

可以在运行时切换算法。
避免了多个条件语句和复杂的算法逻辑。

缺点：

需要创建多个策略类。
客户端需要知道策略的选择和管理。

常见应用场景：

排序算法的选择、支付方式选择（如支付宝、微信支付）。

10. 模板方法模式（Template Method Pattern）

作用：

定义一个算法的骨架，并允许子类实现算法的某些步骤。

优点：

可以在不改变算法结构的情况下，提供灵活的定制点。
提高了代码的可复用性。

缺点：

过多的模板方法可能导致代码过于复杂。
子类需要根据父类的规定方法进行实现。

常见应用场景：

游戏框架中的初始化和更新方法，文件处理。

11. 访问者模式（Visitor Pattern）

作用：

允许你在不改变元素类的前提下，定义作用于元素的操作。

优点：

可以很容易地为不同的元素对象增加新操作。
让操作和数据结构分离，便于扩展。

缺点：

增加了访问者类的复杂度。
如果元素类层次结构发生改变，访问者类也需要做相应的修改。

常见应用场景：

复合元素的结构操作、编译器的语法分析。

以上是当下常用的23种设计模式，后面有时间会把其中常用的几种展开聊一聊。

如有错误欢迎指正交流。

公众号：Altma