本文深入解析设计模式的七大基本原则：单一职责原则、接口隔离原则、依赖倒置原则、里氏替换原则、开闭原则、迪米特法则及合成复用原则，阐述其核心思想与应用场景，助力软件开发人员构建高质量、可维护的系统。
设计模式的目的
软件的耦合性，内聚性以及可维护性，可扩展性，重用性，灵活性 。
- 代码重用性 (即:相同功能的代码，不用多次编写)
- 可读性 (即:编程规范性, 便于其他程序员的阅读和理解)
- 可扩展性 (即:当需要增加新的功能时，非常的方便，称为可维护)
- 可靠性 (即:当我们增加新的功能后，对原来的功能没有影响)
- 使程序呈现高内聚，低耦合的特性
设计模式的七大原则
- 单一职责原则
- 接口隔离原则
- 依赖倒转(倒置)原则
- 里氏替换原则
- 开闭原则
- 迪米特法则
- 合成复用原则
1、单一原则
对类来说的，即一个类应该只负责一项职责。如类 A 负责两个不同职责:职责 1，职责 2。当职责 1 需求变更 而改变 A 时，可能造成职责 2 执行错误，所以需要将类 A 的粒度分解为 A1，A2。
案例
/**
* 交通工具类
* 单一设计原则方式 1
* 1. 在方式 1 的 run 方法中，违反了单一职责原则
* 2. 解决的方案非常的简单，根据交通工具运行方法不同，分解成不同类即可
*/
public class demo1 {
public static void main(String[] args) {
Traffic traffic = new Traffic();
traffic.run("汽车");
traffic.run("飞机");
traffic.run("轮船");
}
}
class Traffic{
public void run(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在陆地上跑");
}
}
/**
* 方案 2 的分析
* 1. 遵守单一职责原则
* 2. 但是这样做的改动很大，即将类分解，同时修改客户端
* 3. 改进:直接修改 Vehicle 类，改动的代码会比较少=>方案 3
**/
public class demo2 {
public static void main(String[] args) {
RoadTraffic roadTraffic = new RoadTraffic();
roadTraffic.run("汽车");
WaterTraffic waterTraffic = new WaterTraffic();
waterTraffic.run("轮船");
}
}
class RoadTraffic{
public void run(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在地上跑");
}
}
class AirTraffic{
public void run(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在空中跑");
}
}
class WaterTraffic{
public void run(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在海上跑");
}
}
/**
* 1. 这种修改方法没有对原来的类做大的修改，只是增加方法
* 2. 这里虽然没有在类这个级别上遵守单一职责原则，但是在方法级别上，仍然是遵守单一职责
*/
public class Demo3 {
public static void main(String[] args) {
Traffic2 traffic = new Traffic2();
traffic.runInRoad("汽车");
traffic.runInAir("飞机");
traffic.runInWater("轮船");
}
}
class Traffic2{
public void runInRoad(String traffic) {
//如果要加一些逻辑代码，比如 3.30 -4.30 才能跑之类的。
//可直接在这边加if else 进行一个统一的处理
// if () else{}
System.out.println(traffic + "在陆地上跑");
}
public void runInAir(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在空中跑");
}
public void runInWater(String traffic) {
System.out.println(traffic + "在海上跑");
}
}
2、接口隔离原则
客户端不应该依赖它不需要的接口，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
先看一个反例。
有一个接口Interface1，B类和D类都实现（implements）他，相当于都要重写方法1-方法5，5个方法。
类A通过B只会调用其中的1，2，3方法。
类C通过D只会调用其中的1，4，5方法。
那么B中的4和5，以及D中的2和3就是多余的了，不是最小接口。
改进方法。
相当于把之前的Interface1给拆分成了三个接口，B和D各自去实现自己所需要的接口。
public class demo {
public static void main(String[] args) {
//传入接口的实现类
A a = new A();
a.depend1(new B());
a.depend2(new B());
a.depend3(new B());
C c = new C();
c.depend1(new D());
c.depend4(new D());
c.depend5(new D());
}
}
interface interface1{
void method1();
}
interface interface2{
void method2();
void method3();
}
interface interface3{
void method4();
void method5();
}
class B implements interface1, interface2 {
@Override
public void method1() {
System.out.println("method1");
}
@Override
public void method2() {
System.out.println("method2");
}
@Override
public void method3() {
System.out.println("method3");
}
}
class D implements interface1, interface3 {
@Override
public void method1() {
System.out.println("method1");
}
@Override
public void method4() {
System.out.println("method4");
}
@Override
public void method5() {
System.out.println("method5");
}
}
//调用接口
class A {
public void depend1(interface1 interface1) {
interface1.method1();
}
public void depend2(interface2 interface2) {
interface2.method2();
}
public void depend3(interface2 interface2) {
interface2.method3();
}
}
class C {
public void depend1(interface1 interface1) {
interface1.method1();
}
public void depend4(interface3 interface3) {
interface3.method4();
}
public void depend5(interface3 interface3) {
interface3.method5();
}
}
3、依赖倒置原则
- 高层模块不应该依赖低层模块，二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
- 依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
- 依赖倒转原则是基于这样的设计理念:相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架 构比以细节为基础的架构要稳定的多。在 java 中，抽象指的是接口或抽象类，细节就是具体的实现类
- 使用接口或抽象类的目的是制定好规范，而不涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给他们的实现类去完成
举个例子: 编写一个Person 接收消息的功能。
/**
* 依赖倒置原则
* 如何表示一个人收到一个邮件信息。
* 1. 简单，比较容易想到
* 2. 如果我们获取的对象是 微信，短信等等，则新增类，同时 Perons 也要增加相应的接收方法
* 3. 解决思路:引入一个抽象的接口 IReceiver, 表示接收者, 这样 Person 类与接口 IReceiver 发生依赖
* 因为 Email, WeiXin 等等属于接收的范围，他们各自实现 IReceiver 接口就 ok, 这样我们就符号依赖倒转原则
*/
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
Person person = new Person();
person.onReceive(new Email());
}
}
class Email {
public void getInfo() {
System.out.println("收到邮件消息");
}
}
class Person {
public void onReceive(Email email) {
email.getInfo();
}
}
上述存在一个很大的问题。万一获取的对象不是邮件，而是微信，短信什么的，那么person类也要增加相应的接收方法。
改进:引入一个抽象的接口 IReceiver, 表示接收者, 这样 Person 类与接口 IReceiver 发生依赖
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
Person person = new Person();
person.onReceive(new Email());
person.onReceive(new Wechat());
}
}
interface IReceiver {
void getInfo();
}
class Email implements IReceiver {
@Override
public void getInfo() {
System.out.println("收到邮件消息");
}
}
class Wechat implements IReceiver {
@Override
public void getInfo() {
System.out.println("收到微信消息");
}
}
class Person {
public void onReceive(IReceiver iReceiver) {
iReceiver.getInfo();
}
}
依赖关系传递的三种方式和应用案例。
- 接口传递
- 构造方法传递
- setter 方式传递
public class DependencyPass {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
ChangHong changHong = new ChangHong();
// OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose();
// openAndClose.open(changHong);
//通过构造器进行依赖传递
// OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose(changHong);
// openAndClose.open();
//通过setter方法进行依赖传递
OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose();
openAndClose.setTv(changHong);
openAndClose.open();
}
}
// 方式1： 通过接口传递实现依赖
// 开关的接口
// interface IOpenAndClose {
// public void open(ITV tv); //抽象方法,接收接口
// }
//
// interface ITV { //ITV接口
// public void play();
// }
//
// class ChangHong implements ITV {
//
// @Override
// public void play() {
// // TODO Auto-generated method stub
// System.out.println("长虹电视机，打开");
// }
//
// }
//// 实现接口
// class OpenAndClose implements IOpenAndClose{
// public void open(ITV tv){
// tv.play();
// }
// }
// 方式2: 通过构造方法依赖传递
// interface IOpenAndClose {
// public void open(); //抽象方法
// }
// interface ITV { //ITV接口
// public void play();
// }
// class OpenAndClose implements IOpenAndClose{
// public ITV tv; //成员
// public OpenAndClose(ITV tv){ //构造器
// this.tv = tv;
// }
// public void open(){
// this.tv.play();
// }
// }
// 方式3 , 通过setter方法传递
interface IOpenAndClose {
public void open(); // 抽象方法
public void setTv(ITV tv);
}
interface ITV { // ITV接口
public void play();
}
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
private ITV tv;
public void setTv(ITV tv) {
this.tv = tv;
}
public void open() {
this.tv.play();
}
}
class ChangHong implements ITV {
@Override
public void play() {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("长虹电视机，打开");
}
}
4、里氏替换原则
里氏替换背景
- 继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法，实际上是在设定规范和契约，虽然它不强制要求所有 的子类必须遵循这些契约，但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。
- 继承在给程序设计带来便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低， 增加对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且 父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障
- 问题提出:在编程中，如何正确的使用继承? => 里氏替换原则
里氏替换原则
- 如果对每个类型为T1的对象o1，都有类型为T2的对象o2，使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都 代换成 o2 时，程序 P 的行为没有发生变化，那么类型 T2 是类型 T1 的子类型。换句话说，所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。
- 在使用继承时，遵循里氏替换原则，在子类中尽量不要重写父类的方法
- 里氏替换原则告诉我们，继承实际上让两个类耦合性增强了，在适当的情况下，可以通过聚合，组合，依赖来解决问题。
看一个反例。
public class Liskov {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));
System.out.println("-----------------------");
B b = new B();
System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));//这里本意是求出11-3
System.out.println("1-8=" + b.func1(1, 8));// 1-8
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
}
}
// A类
class A {
// 返回两个数的差
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
// B类继承了A
// 增加了一个新功能：完成两个数相加,然后和9求和
class B extends A {
//这里，重写了A类的方法, 可能是无意识
public int func1(int a, int b) {
return a + b;
}
public int func2(int a, int b) {
return func1(a, b) + 9;
}
}
B类继承了A类，但是B可能无意中重写了父类的方法，导致运行出错。在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能，这样写起来虽然简单，但整个继承体系的复用性会比较差。特别是运行多态比较频繁的时候。
解决方法：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖，聚合，组合等关系代替。
public class Liskov {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));
System.out.println("-----------------------");
B b = new B();
//因为B类不再继承A类，因此调用者，不会再func1是求减法
//调用完成的功能就会很明确
System.out.println("11+3=" + b.func1(11, 3));//这里本意是求出11+3
System.out.println("1+8=" + b.func1(1, 8));// 1+8
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
//使用组合仍然可以使用到A类相关方法
System.out.println("11-3=" + b.func3(11, 3));// 这里本意是求出11-3
}
}
//创建一个更加基础的基类
class Base {
//把更加基础的方法和成员写到Base类
}
// A类
class A extends Base {
// 返回两个数的差
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
// B类继承了A
// 增加了一个新功能：完成两个数相加,然后和9求和
class B extends Base {
//如果B需要使用A类的方法,使用组合关系
private A a = new A();
//这里，重写了A类的方法, 可能是无意识
public int func1(int a, int b) {
return a + b;
}
public int func2(int a, int b) {
return func1(a, b) + 9;
}
//我们仍然想使用A的方法
public int func3(int a, int b) {
return this.a.func1(a, b);
}
}
5、开闭原则
- 开闭原则(OpenClosedPrinciple)是编程中最基础、最重要的设计原则
- 一个软件实体如类，模块和函数应该对扩展开放(对提供方)，对修改关闭(对使用方)。用抽象构建框架，用实
现扩展细节。 - 当软件需要变化时，尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。
- 编程中遵循其它原则，以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。
先看一个例子，一个画图形的功能。
/**
* 开闭原则
* 1) 优点是比较好理解，简单易操作。
* 2) 缺点是违反了设计模式的ocp原则，即对扩展开放(提供方)，对修改关闭(使用方)。即当我们给类增加新功能的
* 时候，尽量不修改代码，或者尽可能少修改代码.
* 3) 比如我们这时要新增加一个图形种类三角形，我们需要做如下修改，修改的地方较多
*/
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
class GraphicEditor {
public void drawCircle() {
System.out.println("画了一个圆圈");
}
public void drawRetangle() {
System.out.println("画了一个长方形");
}
public void drawShape(Shape shape) {
if (shape.type == 1)
drawCircle();
else if (shape.type == 2)
drawRetangle();
}
}
class Shape {
int type;
}
class Circle extends Shape {
public Circle() {
super.type = 1;
}
}
class Retangle extends Shape {
public Retangle() {
super.type = 2;
}
}
对上述代码分析：
- 优点是比较好理解，简单易操作。
- 缺点是违反了设计模式的ocp原则，即对扩展开放(提供方)，对修改关闭(使用方)。即当我们给类增加新功能的时候，尽量不修改代码，或者尽可能少修改代码.
- 比如我们这时要新增加一个图形种类三角形，我们需要做如下修改，修改的地方较多。
所以我们对代码做以下改进。
思路:把创建 Shape 类做成抽象类，并提供一个抽象的 draw 方法，让子类去实现即可，这样我们有新的图形种类时，只需要让新的图形类继承 Shape，并实现 draw 方法即可，使用方的代码就不需要修 -> 满足了开闭原则。
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Circle());
graphicEditor.drawShape(new Retangle());
}
}
class GraphicEditor {
public void drawShape(Shape shape) {
shape.draw();
}
}
abstract class Shape {
abstract void draw();
}
class Circle extends Shape {
@Override
void draw() {
System.out.println("画了一个圆圈");
}
}
class Retangle extends Shape {
@Override
void draw() {
System.out.println("画了一个长方形");
}
}
6、迪米特法则
- 一个对象应该对其他对象保持最少的了解
- 类与类关系越密切，耦合度越大
- 迪米特法则(DemeterPrinciple)又叫最少知道原则，即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说，对于被依赖的类不管多么复杂，都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的 public 方法，不对外泄露任何信息
- 迪米特法则还有个更简单的定义:只与直接的朋友通信
- 直接的朋友:每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。其中，我们称出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。
看一个反例。
//客户端
public class Demeter1 {
public static void main(String[] args) {
//创建了一个 SchoolManager 对象
SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
//输出学院的员工id 和 学校总部的员工信息
schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
}
}
//学校总部员工类
class Employee {
private String id;
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
public String getId() {
return id;
}
}
//学院的员工类
class CollegeEmployee {
private String id;
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
public String getId() {
return id;
}
}
//管理学院员工的管理类
class CollegeManager {
//返回学院的所有员工
public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
for (int i = 0; i < 10; i++) { //这里我们增加了10个员工到 list
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
}
//学校管理类
//分析 SchoolManager 类的直接朋友类有哪些 Employee、CollegeManager
//CollegeEmployee 不是 直接朋友 而是一个陌生类，这样违背了 迪米特法则
class SchoolManager {
//返回学校总部的员工
public List<Employee> getAllEmployee() {
List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
for (int i = 0; i < 5; i++) { //这里我们增加了5个员工到 list
Employee emp = new Employee();
emp.setId("学校总部员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id)
void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
//分析问题
//1. 这里的 CollegeEmployee 不是 SchoolManager的直接朋友
//2. CollegeEmployee 是以局部变量方式出现在 SchoolManager
//3. 违反了 迪米特法则
//获取到学院员工
List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
System.out.println("------------学院员工------------");
for (CollegeEmployee e : list1) {
System.out.println(e.getId());
}
//获取到学校总部员工
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
System.out.println("------------学校总部员工------------");
for (Employee e : list2) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
由于在printAllEmployee方法里，CollegeEmployee不是直接朋友，违反了迪米特法则。
改进方法。将以下代码封装成一个方法，放到printAllEmployee的CollegeManager里，对于CollegeManager来说CollegeEmployee是直接的朋友。
//管理学院员工的管理类
class CollegeManager {
//返回学院的所有员工
public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
for (int i = 0; i < 10; i++) { //这里我们增加了10个员工到 list
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//输出学院员工的信息
public void printEmployee() {
//获取到学院员工
List<CollegeEmployee> list1 = getAllEmployee();
System.out.println("------------学院员工------------");
for (CollegeEmployee e : list1) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
7、合成复用原则
原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承
核心思想。
- 找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不需要变化的代码混在一起。
- 针对接口编程，而不是针对实现编程。
- 为了交互对象之间的松耦合设计而努力
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