23种设计模式介绍

23种设计模式介绍

前言

设计模式（Design Patterns）是软件开发中经过验证的解决方案，它们提供了一种通用的方式解决常见的设计问题。通过使用设计模式，开发者可以提高代码的可读性、可维护性和可扩展性。1994年，Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 合著的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书首次系统地介绍了23种经典的设计模式。这些模式被广泛应用于各种编程语言和领域，成为现代软件开发的重要组成部分。

本文将简要介绍这23种设计模式，分为三类：创建型模式、结构型模式 和 行为型模式。每种模式都包括定义和应用场景的简要说明。

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1. 创建型模式（Creational Patterns）

创建型模式主要关注对象的创建过程，旨在提供灵活的对象创建机制，避免直接使用 new 关键字创建对象。

1.1 单例模式（Singleton Pattern）

• 定义：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
• 应用场景：需要控制资源的唯一性，例如数据库连接池、日志记录器等。

1.2 工厂方法模式（Factory Method Pattern）

• 定义：定义一个用于创建对象的接口，但让子类决定实例化哪一个类。
• 应用场景：根据不同的条件创建不同类型的对象，支持开闭原则。

1.3 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

• 定义：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
• 应用场景：需要创建一组相关的对象，而不暴露创建逻辑。

1.4 建造者模式（Builder Pattern）

• 定义：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
• 应用场景：创建复杂对象时，对象的构建过程较为复杂，且对象的属性较多。

1.5 原型模式（Prototype Pattern）

• 定义：通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过 new 操作符。
• 应用场景：创建代价较高的对象，或者对象的创建过程较为复杂。

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2. 结构型模式（Structural Patterns）

结构型模式主要用于处理类或对象的组合，旨在简化系统的结构并使系统更易于理解和维护。

2.1 适配器模式（Adapter Pattern）

• 定义：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，使原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。
• 应用场景：需要集成第三方库或旧系统，但其接口与现有系统不兼容。

2.2 桥接模式（Bridge Pattern）

• 定义：将抽象部分与实现部分分离，使它们可以独立变化。
• 应用场景：需要解耦类的抽象和实现，以便两者可以独立演化。

2.3 组合模式（Composite Pattern）

• 定义：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
• 应用场景：需要处理树形结构的数据，如文件系统、菜单等。

2.4 装饰模式（Decorator Pattern）

• 定义：动态地给一个对象添加一些额外的职责，而不改变其原有代码。
• 应用场景：需要在运行时为对象添加功能，而不使用继承。

2.5 外观模式（Facade Pattern）

• 定义：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
• 应用场景：需要简化复杂的子系统，提供一个简单的接口给客户端使用。

2.6 享元模式（Flyweight Pattern）

• 定义：通过共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
• 应用场景：需要创建大量相似对象，且这些对象占用大量内存。

2.7 代理模式（Proxy Pattern）

• 定义：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
• 应用场景：需要控制对某个对象的访问，例如远程调用、延迟加载等。

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3. 行为型模式（Behavioral Patterns）

行为型模式主要用于描述类或对象之间的通信方式，旨在简化对象之间的交互并提高系统的灵活性。

3.1 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）

• 定义：使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合。
• 应用场景：需要处理一系列请求，每个请求可能由不同的对象处理。

3.2 命令模式（Command Pattern）

• 定义：将请求封装成对象，从而使可以用不同的请求对客户进行参数化。
• 应用场景：需要将请求排队、记录日志或撤销操作。

3.3 解释器模式（Interpreter Pattern）

• 定义：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，该解释器使用该表示来解释语言中的句子。
• 应用场景：需要解析和执行简单的语言表达式。

3.4 迭代器模式（Iterator Pattern）

• 定义：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露其内部表示。
• 应用场景：需要遍历集合中的元素，而不暴露集合的内部结构。

3.5 中介者模式（Mediator Pattern）

• 定义：用一个中介对象来封装一系列的对象交互，中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
• 应用场景：需要管理多个对象之间的复杂交互，避免对象之间的直接依赖。

3.6 备忘录模式（Memento Pattern）

• 定义：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。
• 应用场景：需要保存和恢复对象的状态，例如实现撤销功能。

3.7 观察者模式（Observer Pattern）

• 定义：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都将得到通知并自动更新。
• 应用场景：需要实现事件驱动的系统，例如 GUI 应用中的按钮点击事件。

3.8 状态模式（State Pattern）

• 定义：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为，对象看起来似乎修改了它的类。
• 应用场景：需要根据对象的状态变化来改变其行为，例如有限状态机。

3.9 策略模式（Strategy Pattern）

• 定义：定义一系列算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可以相互替换。策略模式使得算法可以在不影响客户端的情况下发生变化。
• 应用场景：需要在运行时选择不同的算法或行为，例如排序算法的选择。

3.10 模板方法模式（Template Method Pattern）

• 定义：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中实现。模板方法使得子类可以在不改变算法结构的情况下重新定义算法的某些特定步骤。
• 应用场景：需要定义一个算法的框架，但允许子类自定义某些步骤。

3.11 访问者模式（Visitor Pattern）

• 定义：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
• 应用场景：需要对一组对象执行多种操作，而不修改对象的类结构。

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总结

设计模式是软件开发中非常重要的工具，能够帮助我们更好地组织代码、提高代码的可维护性和可扩展性。通过理解这23种设计模式，你可以根据具体的应用场景选择合适的设计模式，从而编写出更加优雅和高效的代码。希望这篇文章能为你提供一个全面的概览，帮助你在未来的项目中更好地应用这些模式。

扩展阅读

• 《设计模式：可复用面向对象软件的基础》：这本书详细介绍了23种经典设计模式，提供了丰富的示例和应用场景，是学习设计模式的经典之作。
• 《Head First 设计模式》：这本书以图文并茂的方式讲解设计模式，适合初学者快速入门，内容生动有趣，易于理解。

参考项

• Refactoring.Guru - Design Patterns
• Design Patterns in Python