【设计模式最终总结】概述、分类、原则

1       什么是设计模式

模式是在特定环境下人们解决某类重复出现问题的一套成功或有效的解决方案。【A pattern is a successful or efficient solution to a recurring  problem within a context】

软件模式是在软件开发中某些可重现问题的一些有效解决方法，软件模式的基础结构主要由四部分构成，包括问题描述【待解决的问题是什么】、前提条件【在何种环境或约束条件下使用】、解法【如何解决】和效果【有哪些优缺点】，如图1-1所示：

设计模式用于在特定的条件下为一些重复出现的软件设计问题提供合理的、有效的解决方案

设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结，使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解并且保证代码可靠性。

设计模式一般包含模式名称、问题、目的、解决方案、效果等组成要素，其中关键要素是模式名称、问题、解决方案和效果。模式名称(Pattern Name)通过一两个词来描述模式的问题、解决方案和效果，以便更好地理解模式并方便开发人员之间的交流，绝大多数模式都是根据其功能或模式结构来命名的（GoF设计模式中没有一个模式用人名命名，）；问题(Problem)描述了应该在何时使用模式，它包含了设计中存在的问题以及问题存在的原因；解决方案(Solution)描述了一个设计模式的组成成分，以及这些组成成分之间的相互关系，各自的职责和协作方式，通常解决方案通过UML类图和核心代码来进行描述；效果(Consequences)描述了模式的优缺点以及在使用模式时应权衡的问题。

2       设计模式的分类

虽然GoF设计模式只有23个，但是它们各具特色，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

类型	模式名称	备注	学习难度	使用频率
创建型模式 Creational Pattern	单例模式 Singleton Pattern	确保对象的唯一性，饥汉模式、懒汉模式	★☆☆☆☆	★★★★☆
	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	每种实例一个具体的工厂，用抽象工厂提供接口。	★★★★☆	★★★★★
	原型模式 Prototype Pattern	对象的克隆。 深拷贝、浅拷贝。	★★★☆☆	★★★☆☆
	建造者模式Builder Pattern	复杂对象的组装与创建	★★★★☆	★★☆☆☆
结构型模式 Structural Pattern	适配器模式Adapter Pattern	就是一层封装，把具体的实现隔离开。适配器是选是否抽象接口。	★★☆☆☆	★★★★☆
	桥接模式Bridge  Pattern	设计目的：处理多维度变化；设计原则：分离不同的变化方向。 本质：面向接口编程。做法：在类里存一个接口。	★★★☆☆	★★★☆☆
	组合模式Composite  Pattern	树型结构的统一处理。	★★★☆☆	★★★★☆
	装饰模式Decorator  Pattern		★★★☆☆	★★★☆☆
	外观模式Façade  Pattern		★☆☆☆☆	★★★★★
	享元模式Flyweight  Pattern		★★★★☆	★☆☆☆☆
	代理模式Proxy  Pattern		★★★☆☆	★★★★☆
行为型模式 Behavioral Pattern	职责链模式Chain  of Responsibility Pattern		★★★☆☆	★★☆☆☆
	命令模式Command  Pattern		★★★☆☆	★★★★☆
	解释器模式Interpreter  Pattern		★★★★★	★☆☆☆☆
	迭代器模式Iterator  Pattern		★★★☆☆	★★★★★
	中介者模式Mediator  Pattern		★★★☆☆	★★☆☆☆
	备忘录模式Memento  Pattern		★★☆☆☆	★★☆☆☆
	观察者模式Observer  Pattern		★★★☆☆	★★★★★
	状态模式State  Pattern		★★★☆☆	★★★☆☆
	策略模式Strategy  Pattern		★☆☆☆☆	★★★★☆
	模板方法模式Template  Method Pattern		★★☆☆☆	★★★☆☆
	访问者模式Visitor  Pattern		★★★★☆	★☆☆☆☆

3       面向对象设计原则

面向对象设计原则为支持可维护性复用而诞生，这些原则蕴含在很多设计模式中，它们是从许多设计方案中总结出的指导性原则。

       最常见的7种面向对象设计原则如下表所示：

设计原则名称	定  义	使用频率
单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP)	一个类只负责一个功能领域中的相应职责	★★★★☆
开闭原则(Open-Closed Principle, OCP)	软件实体应对扩展开放，而对修改关闭	★★★★★
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP)	所有引用基类对象的地方能够透明地使用其子类的对象	★★★★★
依赖倒转原则(Dependence  Inversion Principle, DIP)	抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象	★★★★★
接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP)	使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口	★★☆☆☆
合成复用原则(Composite Reuse Principle, CRP)	尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的	★★★★☆
迪米特法则(Law of Demeter, LoD)	一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用	★★★☆☆

六种的话,不包含合成复用原则

3.1  单一职责原则

单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP)：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。

3.2  开闭原则

开闭原则(Open-Closed Principle, OCP)：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。

3.3  里氏代换原则

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP)：所有引用基类（父类）的地方必须能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。

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。

3.4  依赖倒转原则

依赖倒转原则(Dependency Inversion  Principle, DIP)：抽象不应该依赖于细节，细节应当依赖于抽象。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。

      在实现依赖倒转原则时，我们需要针对抽象层编程，而将具体类的对象通过依赖注入(DependencyInjection, DI)的方式注入到其他对象中，依赖注入是指当一个对象要与其他对象发生依赖关系时，通过抽象来注入所依赖的对象。常用的注入方式有三种，分别是：构造注入，设值注入（Setter注入）和接口注入。构造注入是指通过构造函数来传入具体类的对象，设值注入是指通过Setter方法来传入具体类的对象，而接口注入是指通过在接口中声明的业务方法来传入具体类的对象。这些方法在定义时使用的是抽象类型，在运行时再传入具体类型的对象，由子类对象来覆盖父类对象。

在重构过程中，开闭原则是目标，里氏代换原则是基础，依赖倒转原则是手段，它们相辅相成，相互补充，目标一致，只是分析问题时所站角度不同而已。

3.5  接口隔离原则

接口隔离原则(Interface  Segregation Principle, ISP)：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。一般而言，接口中仅包含为某一类用户定制的方法即可，不应该强迫客户依赖于那些它们不用的方法。

3.6  聚合复用原则

合成复用原则又称为组合/聚合复用原则(Composition/Aggregate Reuse Principle, CARP)，其定义如下：

合成复用原则(Composite Reuse Principle, CRP)：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。简言之：复用时要尽量使用组合/聚合关系（关联关系），少用继承。

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.

通过继承来进行复用的主要问题在于继承复用会破坏系统的封装性，因为继承会将基类的实现细节暴露给子类，由于基类的内部细节通常对子类来说是可见的，所以这种复用又称“白箱”复用，如果基类发生改变，那么子类的实现也不得不发生改变；从基类继承而来的实现是静态的，不可能在运行时发生改变，没有足够的灵活性；而且继承只能在有限的环境中使用（如类没有声明为不能被继承）。

  由于组合或聚合关系可以将已有的对象（也可称为成员对象）纳入到新对象中，使之成为新对象的一部分，因此新对象可以调用已有对象的功能，这样做可以使得成员对象的内部实现细节对于新对象不可见，所以这种复用又称为“黑箱”复用，相对继承关系而言，其耦合度相对较低，成员对象的变化对新对象的影响不大，可以在新对象中根据实际需要有选择性地调用成员对象的操作；合成复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成员对象类型相同的其他对象。

      一般而言，如果两个类之间是“Has-A”的关系应使用组合或聚合，如果是“Is-A”关系可使用继承。"Is-A"是严格的分类学意义上的定义，意思是一个类是另一个类的"一种"；而"Has-A"则不同，它表示某一个角色具有某一项责任。

3.7  迪米特法则

迪米特法则(Law of  Demeter, LoD)：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。

迪米特法则还有几种定义形式，包括：不要和“陌生人”说话、只与你的直接朋友通信等，在迪米特法则中，对于一个对象，其朋友包括以下几类：

      (1) 当前对象本身(this)；

      (2) 以参数形式传入到当前对象方法中的对象；

      (3) 当前对象的成员对象；

      (4) 如果当前对象的成员对象是一个集合，那么集合中的元素也都是朋友；

      (5) 当前对象所创建的对象。

      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。

如:重构时,可以通过引入一个交互的中间类(Mediator)来降低界面控件之间的耦合度。