软件设计模式深度解析与实践
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软件设计模式深度解析与实践指南
1. 软件设计模式概述
软件设计模式是知识复用的一种形式，它为常见的软件架构问题提供通用的解决方案，是具体解决方案实现的基础。一个完整的设计模式规范不仅仅包含图形表示，有些设计模式可以单独应用，而有些则需要与其他模式结合使用。
2. 常见设计模式介绍
-
单例模式（Singleton Pattern）
- 用途 ：当程序中只需要某个特定类的一个实例时使用。
-
实现方法
：将构造函数设为受保护或私有，并提供一个名为
getInstance()的公共静态方法，该方法返回该类的同一个实例。
-
工厂模式（Factory Pattern）
- 用途 ：用于创建专门负责创建指定类型对象的类。
- 动态工厂模式（Dynamic Factory Pattern） ：可通过 Java 的动态类加载机制创建对象。其主要优点之一是，使用动态工厂的应用程序在进行某些增强时，无需关闭应用程序即可实现。
-
模型 - 视图 - 控制器模式（Model - View - Controller，MVC）
- 用途 ：将应用程序对象的视觉表示与对象本身分离。
-
组成部分
：
- 模型（Model） ：由一个或多个类共同实现特定应用程序的功能。
- 视图（View） ：由一个或多个类共同实现模型的视觉表示。
- 控制器（Controller） ：由一个或多个类共同协调模型和视图之间的消息传递。
-
命令模式（Command Pattern）
- 用途 ：一是将特定操作的知识与需要执行该操作的对象解耦；二是将操作封装成对象。
- 结合应用 ：可与动态工厂模式结合，将命令名称映射到类处理程序，并动态加载和执行命令处理程序。
3. 技能提升练习
以下是一系列有助于提升对设计模式理解和应用能力的练习：
1.
研究
：获取《设计模式：可复用面向对象软件的基础》（Gang - of - Four’s Design Patterns）一书，深入了解面向对象软件设计模式。
2.
UML 序列图绘制
：
- 为 MVC 示例中视图组件的按钮点击事件创建 UML 序列图。
- 为员工管理应用程序中“文件 -> 加载”菜单项选择时的命令执行事件创建 UML 序列图。
3.
写作练习
：撰写一篇关于软件设计模式的文章，探讨其历史、起源和实用性。
4.
与导师交流
：安排与资深 Java 软件工程师的访谈，了解他们在工作中使用设计模式的频率。
5.
编译和运行示例
：编译并运行相关示例程序。
6.
编程实践
：修改
CommandProperties
类，使其在加载属性文件之前检查文件日期以读取属性值。添加一个名为
last_modified
的新字段来存储属性文件的最后修改值，添加一个名为
loadPropertiesFile()
的新方法来执行
last_modified
值检查并根据需要重新初始化属性值。同时在 GUI 中添加检查更新属性文件和强制重新加载新创建的命令类的功能（新命令类的名称必须与被替换的命令类名称不同）。
4. 项目建议
- 遗留数据文件适配器应用 ：借助上述设计模式编写一个应用程序，通过遗留数据文件适配器类和支持类访问数据。该应用程序应具备列出数据库中的书籍、添加新书、增减库存数量以及按标题和作者搜索书籍的功能。
- 回顾项目实践 ：回顾之前的项目建议，在实现过程中运用这里讨论的设计模式。
5. 自我测试问题
以下是一些自我测试问题，可帮助检验对设计模式的理解：
1. 为什么软件设计模式被认为是一种知识复用形式？
2. 单例模式的目的是什么？
3. 工厂模式的目的是什么？
4. 使用动态工厂模式有什么潜在好处？
5. 如何使用动态工厂模式动态修改应用程序的行为？
6. 模型 - 视图 - 控制器模式的目的是什么？
7. MVC 模式中模型组件的目的是什么？
8. MVC 模式中视图组件的目的是什么？
9. MVC 模式中控制器组件的目的是什么？
10. 为什么希望模型不了解视图，反之亦然？
11. 命令模式的目的是什么？
6. 项目方法策略检查表
| 策略区域 | 解释 |
|---|---|
| 应用需求 | 确定并明确完成项目必须具备的目的和功能。如果项目规范不明确，与导师澄清对需求的理解，以获得清晰的问题定义和所需项目功能列表。 |
| 问题领域 | 研究问题直到清楚如何解决它。可选择编写伪代码算法来逐步描述解决方案，对于大型复杂项目可能需要多次这样做，以得到可转化为应用程序设计的高级解决方案陈述。 |
| 语言特性 | 列出为起草合理设计并实现设计必须理解和使用的所有语言特性。学习每个语言特性时在列表中勾选，以获得进度感，从而对实现良好设计和解决问题所需的语言特性有概念性理解。 |
| 高级设计与实现策略 | 勾勒出大致的应用程序设计，设计可以通过文字、图片或两者结合来表达如何实现从问题领域策略区域得出的问题解决方案，最终得到一个行动计划。 |
7. 开发周期步骤
| 步骤 | 解释 |
|---|---|
| 规划 | 设计到可以开始实现的程度，不要试图提前设计所有内容，保持设计的灵活性和可更改性。 |
| 编码 | 实现所设计的内容。 |
| 测试 | 彻底测试源代码的每个部分或模块，在其有机会破坏应用程序之前尝试使其出错。即使在小项目中，也可能需要编写简短的测试用例程序来测试刚完成编码的内容。 |
| 集成/测试 | 将测试过的应用程序部分添加到项目的其余部分，然后测试整个项目以确保不破坏现有功能。 |
| 重构 | 此步骤在面向对象编程中比过程式编程更适用，意味着全面审视整个应用程序架构，将通用功能迁移到基类甚至抽象类中，以便更具体的派生类可以利用这些功能。 |
8. ASCII 表
| 十进制 | 八进制 | 十六进制 | 二进制 | 值 | 注释 |
|---|---|---|---|---|---|
| 000 | 000 | 000 | 00000000 | NUL | 空字符 |
| 001 | 001 | 001 | 00000001 | SOH | 标题开始 |
| … | … | … | … | … | … |
| 127 | 177 | 07F | 01111111 | DEL | 删除 |
9. 各章节自我测试问题答案
-
第 1 章
- 学习 Java 编程语言至少需要掌握的技能：Java 语法、集成开发环境（IDE）、使用计算机解决问题、面向对象分析与设计、面向对象编程、如何进入编程状态、如何激发创造力、Java 平台 API、如何管理项目复杂性。
- 作为学生将扮演的三个开发角色：分析师、架构师、程序员。
- 项目方法策略的目的：保持前进的动力。
- 项目方法策略涉及的四个关注领域：应用需求、问题领域、编程语言、高级设计。
- 编程周期的五个步骤：规划、编码、测试、集成、重构。
- 两种类型的复杂性：概念性、物理性。
- 同构映射的含义：问题领域中的对象在设计领域中用相应的类进行建模。
- 编写自注释源代码的帮助：使代码更易于阅读和理解。
- 在源代码中最大化内聚的方法：为类及其方法赋予明确的目的。
- 在源代码中最小化耦合的方法：通过使用接口和抽象类减少对外部类的依赖。
-
第 2 章
- PATH 环境变量在 Windows 和 UNIX 操作系统环境中的目的：设置可执行文件的位置。
- CLASSPATH 环境变量在 Windows 和 UNIX 操作系统环境中的目的：设置 Java 类文件（.class）的位置。
-
Java 程序创建过程的步骤：程序员创建一个或多个源代码文件；使用
javac命令创建 .class 文件；使用java命令运行主应用程序类文件。 - IDE 的主要组件及使用好处：文本编辑器、项目管理器、调试器以及可能的其他第三方工具插件，可加速软件开发。
-
javac命令的目的和用途：用于编译 Java 源文件。 -
java命令的目的和用途：用于运行 Java 应用程序文件。 -
javadoc命令的目的和用途：用于创建专业的 HTML 格式的 API 文档。 -
创建可执行 .jar 文件的步骤：创建 Java 应用程序；使用
jar命令打包并包含一个指定主应用程序类的清单文件。 -
javac命令能否一次编译多个源文件：可以（True）。 -
执行可执行 .jar 文件的方法：
java -jar jarfilename.jar。
-
第 3 章
- 四个项目方法策略区域：应用需求、问题领域、语言特性、高级设计。
- 项目方法策略的目的：保持前进的动力。
- 开发周期的四个阶段：规划、编码、测试、集成。
- 开发周期在编程项目中的应用方式：迭代地、以紧密螺旋的方式进行。
- 方法存根的定义：一个包含空主体或简单诊断消息的方法。
- 方法存根的目的：允许程序员为方法提供最小功能，以便测试应用程序的其他部分。
- 首次编译和测试编程项目的时间：尽快且频繁地进行，创建第一个类后就开始。
-
Javadoc 注释的定义：包含在
/**和*/之间的注释，可以包含文档标签和 HTML 格式。 - 向导师提交项目前应仔细检查的方面：格式、注释、项目上的姓名、所有必需文件是否在磁盘上。
- 状态转换图的目的：以图形方式说明对象在程序执行过程中可以呈现的各种值或状态。
-
第 4 章
- 典型计算机系统的至少五个组件：系统单元、鼠标、键盘、扬声器、显示器。
- 计算机系统外围组件支持的设备：微处理器。
- 程序可以从两个视角查看：人类视角和计算机视角。人类视角的程序是高级的，而计算机视角的程序只是一串 0 和 1。
- 处理周期的四个步骤：取指、解码、执行、存储。
- 算法的定义：使用计算机程序执行某种操作的方法。
- 处理器架构实现其功能集的方式：处理器的功能集是其架构的函数。
- 程序员访问处理器功能集的方式：通过其机器指令集。
- Java HotSpot 虚拟机的目的：允许 Java 程序在各种硬件平台上运行。
- HotSpot 虚拟机客户端和服务器版本编译器的区别：客户端版本针对快速应用程序加载进行优化，服务器版本针对服务器应用程序进行优化。
- HotSpot 虚拟机与 Java 经典 VM 和即时（JIT）编译器的不同：HotSpot VM 有一个代码分析器，可分析代码执行情况并优先编译频繁使用的字节码部分。
-
第 5 章
- Java 平台的定义：由 Java VM、运行时环境和一组 API 类组成。
- 软件开发工具包（SDK）和 Java 运行时环境（JRE）的区别：SDK 包含开发命令行工具。
- 获取详细 Java 平台 API 信息的好地方：java.sun.com。
- 继承层次结构的含义：包含基类和子类的类层次结构，子类继承基类定义的功能。
- 跟踪类的继承层次结构可学到的重要信息：其功能的总和。
- “deprecated”术语的含义：已弃用的类或方法的功能已被另一个性能更好的类或方法取代，未来 Java 平台版本可能不再支持。
- 至少七个 Java 平台 API 包提供的功能：答案留给学生自行探索。
- 所有 Java 类（除一个外）继承功能的公共类：java.lang.Object。
- 跟踪类的继承层次结构的好处：了解类的全部功能。
- 类详细文档页面中便于跟踪继承功能的部分：“Method’s inherited from…” 部分。
-
第 6 章
- Java 程序各部分的标签：
1 public class QuestionOne { // class definition
2 private int int_i; // instance variable declaration
3 private static int int_j; // class variable declaration
4 public static final int INT_K = 25; // class constant definition
5
6 public static void main(String[] args){ // main method definition
7 System.out.println(int_j); // statement using System.out object
8 System.out.println(INT_K); // statement using System.out object
9
10 QuestionOne q1 = new QuestionOne(); // local variable declaration and initialization
11
12 System.out.println(q1.int_i); // statement using System.out object
13 } // end main() method
14 } // end class definition
2. 变量的定义：内存中一个命名的位置，其内容值在程序执行过程中可以改变。
3. 类变量和实例变量的区别：类（静态）变量由特定类的所有实例共享，而每个对象都有自己的实例变量副本。
4. 常量的定义及声明方法：常量的值一旦定义就不能改变，使用 `final` 关键字声明。
5. 两种 Java 类型类别：基本类型和引用类型。引用类型对象必须使用 `new` 运算符创建。
6. 制定标识符名称的四个要求：必须以有效的 Java 字母开头；首字母后面可以跟有效字母或数字；标识符不能是保留关键字；标识符不能是 `true`、`false` 或 `null`。
7. `new` 运算符的功能：在堆中动态创建引用类型对象。
8. Java 垃圾回收器的目的：释放未引用对象占用的内存。
9. 确定对象内存位置值的方法：在 Java 中不能直接确定对象的内存位置。
10. 基本类型包装类及其提供的功能：每个基本类型都有一个包装类，如 `Boolean`、`Character`、`Byte`、`Integer`、`Float`、`Double`，其功能解释留给学生。
软件设计模式深度解析与实践指南
10. 设计模式的应用与实践
在实际应用中，不同的设计模式有着各自独特的使用场景和优势。例如，单例模式在需要确保某个类只有一个实例时非常有用，像数据库连接池、日志记录器等场景。以下是一个简单的单例模式示例代码：
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
}
工厂模式则可以将对象的创建和使用分离，提高代码的可维护性和可扩展性。以创建不同类型的图形对象为例：
// 图形接口
interface Shape {
void draw();
}
// 圆形实现类
class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a circle");
}
}
// 矩形实现类
class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a rectangle");
}
}
// 图形工厂类
class ShapeFactory {
public Shape getShape(String shapeType) {
if (shapeType == null) {
return null;
}
if (shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")) {
return new Circle();
} else if (shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")) {
return new Rectangle();
}
return null;
}
}
MVC 模式在开发具有用户界面的应用程序时非常实用，它将数据处理、界面显示和用户交互逻辑分离。以下是一个简单的 MVC 示例：
// 模型类
class Student {
private String name;
private int age;
public Student(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getAge() {
return age;
}
}
// 视图类
class StudentView {
public void printStudentDetails(String studentName, int studentAge) {
System.out.println("Student: ");
System.out.println("Name: " + studentName);
System.out.println("Age: " + studentAge);
}
}
// 控制器类
class StudentController {
private Student model;
private StudentView view;
public StudentController(Student model, StudentView view) {
this.model = model;
this.view = view;
}
public void updateView() {
view.printStudentDetails(model.getName(), model.getAge());
}
}
11. 设计模式的组合使用
在复杂的项目中，往往需要将多种设计模式组合使用。例如，命令模式可以与动态工厂模式结合，实现命令的动态加载和执行。以下是一个简单的示例：
// 命令接口
interface Command {
void execute();
}
// 具体命令类
class OpenCommand implements Command {
@Override
public void execute() {
System.out.println("Opening a file");
}
}
// 命令工厂类
class CommandFactory {
public Command getCommand(String commandName) {
if (commandName.equalsIgnoreCase("OPEN")) {
return new OpenCommand();
}
return null;
}
}
// 命令调用者类
class CommandInvoker {
private CommandFactory factory;
public CommandInvoker(CommandFactory factory) {
this.factory = factory;
}
public void executeCommand(String commandName) {
Command command = factory.getCommand(commandName);
if (command != null) {
command.execute();
}
}
}
12. 设计模式的优化与改进
在使用设计模式的过程中，还可以对其进行优化和改进。例如，在单例模式中，可以使用双重检查锁定来提高性能：
public class Singleton {
private static volatile Singleton instance;
private Singleton() {}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
}
在工厂模式中，可以使用反射机制来实现更灵活的对象创建：
class ShapeFactory {
public Shape getShape(String className) {
try {
Class<?> clazz = Class.forName(className);
return (Shape) clazz.newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
return null;
}
}
}
13. 设计模式的实践案例分析
以一个简单的图书管理系统为例，我们可以运用多种设计模式来实现。使用单例模式来管理数据库连接，确保只有一个连接实例；使用工厂模式来创建不同类型的图书对象；使用 MVC 模式来分离数据处理、界面显示和用户交互逻辑。以下是一个简化的图书管理系统的架构图：
graph LR
classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
A(单例模式 - 数据库连接):::process --> B(工厂模式 - 图书对象创建):::process
B --> C(MVC 模式 - 数据处理、界面显示、用户交互):::process
C --> D(命令模式 - 图书操作命令):::process
14. 总结与展望
通过对软件设计模式的深入学习和实践，我们可以发现设计模式在提高代码的可维护性、可扩展性和可复用性方面有着巨大的作用。不同的设计模式适用于不同的场景，我们需要根据具体的需求来选择合适的设计模式。同时，在实际应用中，还可以将多种设计模式组合使用，以实现更复杂的功能。
未来，随着软件技术的不断发展，设计模式也会不断地演变和创新。我们需要不断地学习和掌握新的设计模式，以应对日益复杂的软件项目。同时，我们也应该注重设计模式的实践应用，通过实际项目来加深对设计模式的理解和掌握。
以下是一个简单的表格，总结了常见设计模式的特点和应用场景：
|设计模式|特点|应用场景|
| ---- | ---- | ---- |
|单例模式|确保类只有一个实例|数据库连接池、日志记录器等|
|工厂模式|将对象的创建和使用分离|创建不同类型的对象|
|MVC 模式|分离数据处理、界面显示和用户交互逻辑|具有用户界面的应用程序|
|命令模式|将操作封装成对象，解耦操作和执行者|实现撤销、重做等功能|
在实际开发中，我们可以根据项目的需求和特点，灵活运用这些设计模式，以提高软件的质量和开发效率。
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