设计模式——设计模式与设计原则

一、设计模式

 1、设计模式简介

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、保证代码可靠性。 设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石。

模式的经典定义：每个模式都描述了一个在我们的环境中不断出现的问题，然后描述了该问题的解决方案的核心，通过这种方式，我们可以无数次地重用那些已有的解决方案，无需再重复相同的工作。即模式是在特定环境中解决问题的一种方案。

2、设计模式的目标

    设计模式的目的一方面是教你如何利用真实可靠的设计来组织代码的模板。每一种设计模式都是软件工程发展过程中总结、抽象出来的通用优秀经验。

    设计模式增加了程序的灵活性和可重用性，有利于程序设计的标准化和提高系统开发的进度。

3、设计模式的历史

 设计模式术语最初被设计用于建筑学领域。Christopher Alexander在他1977的著作“A Pattern Language :Towns/Building/Construction”里面描述了一些常见的建筑学设计问题，并解释了如何用这些已有的著名的模式集合来开始全新的有效的设计。Alexander的观点被很好的转化到软件开发上来，并且长期的合意的用原有的组件来构造新的解决方案。

4、设计模式的要素

     设计模式可以简单方便地复用成功的设计和体系结构。将已证实的技术表述成设计模式也会使新系统开发者更加容易理解其设计思路。

 所有的设计模式都有一些常用的特性：一个标识（a pattern name），一个问题陈述（a problem statement）和一个解决方案(a solution)，效果(consequences)

        模式名称（pattern name）： 描述模式的问题、解决方案和效果

 一个设计模式的标识（模式名称）是重要的，因为它会让其他的程序员不用进行太深入的学习就能立刻理解你的代码的目的（至少通过这个标识程序员会很熟悉这个模式）。没有这个模式名，我们便无法与其他人交流设计思想及设计结果。

    问题(problem)  ：描述是用来说明这个模式的应用的领域。

 描述了应该在何时使用模式。它解释了设计问题和问题存在的前因后果，它可能描述了特定的设计问题，如怎样用对象表示算法等。也可能描述了导致不灵活设计的类或对象结构。有时候，问题部分会包括使用模式必须满足的一系列先决条件。

    解决方案(solution) ： 描述了这个模型的执行。
       描述了设计的组成成分，它们之间的相互关系及各自的职责和协作方式。因为模式就像一个模板，可应用于多种不同场合，所以解决方案并不描述一个特定而具体的设计或实现，而是提供设计问题的抽象描述和怎样用一个具有一般意义的元素组合（类或对象组合）来解决这个问题。

    效果(consequences)

         描述了模式应用的效果及使用模式应权衡的问题。尽管我们描述设计决策时，并不总提到模式效果，但它们对于评价设计选择和理解使用模式的代价及好处具有重要意义。软件效果大多关注对时间和空间的衡量，它们也表述了语言和实现问题。因为复用是面向对象设计的要素之一，所以模式效果包括它对系统的灵活性、扩充性或可移植性的影响，显式地列出这些效果对理解和评价这些模式很有帮助。一个好的设计模式的论述应该覆盖使用这个模型的优点和缺点。

     一个模式是解决特定问题的有效方法。一个设计模式不是一个库（能在你的项目中直接包含和使用的代码库）而是一个用来组织你的代码的模板（Java bean）。事实上，一个代码库和一个设计模式在应用上是有很多不同的。

    比如，你从店铺里面买的一件衬衫是一个代码库，它的颜色，样式和大小都由设计师和厂商决定，但它满足了你的需求。 然而，如果店里面没有什么衣服适合你，那你就能自己创建自己的衬衫（设计它的形状，选择布料，然后裁缝在一起）。但是如果你不是一个裁缝，你可能会发现自己很容易的去找一个合适的模式然后按着这个模式去设计自己的衬衫。使用一个模型，你可以在更少的时间内得到一个熟练设计的衬衫。

     回到讨论软件上来，一个数据提取层或者一个CMS（content management system）就是一个库——它是先前设计好而且已经编码好了的，如果它能准确的满足你的需要那它就是一个好的选择。

    一个软件设计模型仅仅只是一个引导，必须根据程序设计语言和你的应用程序的特点和要求而特别的设计。

5、设计模式的分类

 根据其目的（模式是用来做什么的）可分为创建型(Creational)，结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种：
         A、创建型模式主要用于创建对象。
         B、结构型模式主要用于处理类或对象的组合。
         C、行为型模式主要用于描述对类或对象怎样交互和怎样分配职责。

    根据范围，即模式主要是用于处理类之间关系还是处理对象之间的关系，可分为类模式和对象模式两种：

    A、类模式： 处理类和子类之间的关系，这些关系通过继承建立，在编译时刻就被确定下来，是属于静态的。

    B、对象模式：处理对象间的关系，这些关系在运行时刻变化，更具动态性。

二、设计原则

    经典设计模式有七大原则：开闭原则、里氏替换原则、依赖倒转原则、接口隔离原则、迪米特原则、合成复用原则、单一职责原则。

1、开闭原则

    开闭原则即对扩展开放，对修改关闭，是设计模式的核心原则。

    定义：一个软件实体(如类、模块和函数)应该对扩展开放，对修改关闭。意思是，在一个系统或者模块中，对于扩展是开放的，对于修改是关闭的，一个好的系统是在不修改源代码的情况下可以扩展你的功能，而实现开闭原则的关键就是抽象化。

    原则分析 :

    1)当软件实体因需求要变化时，尽量通过扩展已有软件实体，可以提供新的行为，以满足对软件的新的需求，而不是修改已有的代码，使变化中的软件有一定的适应性和灵活性。已有软件模块，特别是最重要的抽象层模块不能再修改，这使变化中的软件系统有一定的稳定性和延续性。

    2)实现开闭原则的关键就是抽象化：在"开-闭"原则中，不允许修改的是抽象的类或者接口，允许扩展的是具体的实现类，抽象类和接口在"开-闭"原则中扮演着极其重要的角色，即要预知可能变化的需求，又预见所有可能已知的扩展，所以在这里"抽象化"是关键。

    3)可变性的封闭原则：找到系统的可变因素，将它封装起来。这是对"开-闭"原则最好的实现。不要把你的可变因素放在多个类中，或者散落在程序的各个角落。你应该将可变的因素封套起来，并且切忌不要把所用的可变因素封套在一起，最好的解决办法是分块封套你的可变因素，避免超大类、超长类、超长方法的出现。

    模板方法模式和观察者模式都是开闭原则的极好体现。

2、里氏替换原则

    定义：第一种定义方式相对严格：如果对每一个类型为S的对象o1，都有类型为T的对象o2，使得以T定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有变化，那么类型S是类型T的子类型。

容易理解的定义方式：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。即子类能够必须能够替换基类能够从出现的地方。子类也能在基类的基础上新增行为。

    里氏代换原则由2008年图灵奖得主、美国第一位计算机科学女博士、麻省理工学院教授BarbaraLiskov和卡内基.梅隆大学Jeannette Wing教授于1994年提出。

    原则分析：

    1）基类和子类的关系存在时，里氏代换原则才存在。正方形是长方形是理解里氏代换原则的经典例子。

    2）里氏代换原则可以通俗表述为：在软件中如果能够使用基类对象，那么一定能够使用其子类对象。把基类都替换成它的子类，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的话，那么它不一定能够使用基类。

    3）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。

    优缺点：

    在面向对象的语言中，继承是必不可少的、非常优秀的语言机制，它有如下优点：

    1）代码共享，减少创建类的工作量，每个子类都拥有父类的方法和属性；

    2）提高代码的重用性；
    3）子类可以形似父类，但又异于父类
    4）提高代码的可扩展性，实现父类的方法就可以“为所欲为”了，君不见很多开源框架的扩展接口都是通过继承父类来完成的；
    5）提高产品或项目的开放性。
 

    继承的缺点如下：
    1）继承是侵入性的。只要继承，就必须拥有父类的所有属性和方法；
    2）降低代码的灵活性。子类必须拥有父类的属性和方法，让子类自由的世界中多了些约束；
    3）增强了耦合性。当父类的常量、变量和方法被修改时，必需要考虑子类的修改，而且在缺乏规范的环境下，这种修改可能带来非常糟糕的结果——大片的代码需要重构。

3、依赖倒转原则

    定义：高层模块不应该依赖低层模块，它们都应该依赖抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。简单的说，依赖倒置原则要求客户端依赖于抽象耦合。

    原则表述：

    1）抽象不应当依赖于细节；细节应当依赖于抽象；

    2）要针对接口编程，不针对实现编程。

    原则分析：

       1）如果说开闭原则是面向对象设计的目标，依赖倒转原则是到达面向设计"开闭"原则的手段。如果要达到最好的"开闭"原则，就要尽量的遵守依赖倒转原则。

   2）依赖倒转原则的常用实现方式之一是在代码中使用抽象类，而将具体类放在配置文件中。 

     3）类之间的耦合：零耦合关系，具体耦合关系，抽象耦合关系。依赖倒转原则要求客户端依赖于抽象耦合，以抽象方式耦合是依赖倒转原则的关键。

    理解这个依赖倒置，首先我们需要明白依赖在面向对象设计的概念：

    依赖关系(Dependency)：是一种使用关系，特定事物的改变有可能会影响到使用该事物的其他事物，在需要表示一个事物使用另一个事物时使用依赖关系。（假设A类的变化引起了B类的变化，则说名B类依赖于A类。）大多数情况下，依赖关系体现在某个类的方法使用另一个类的对象作为参数。在UML中，依赖关系用带箭头的虚线表示，由依赖的一方指向被依赖的一方。

    优点：采用依赖倒置原则可以减少类间的耦合性，提高系统的稳定性，降低并行开发引起的风险，提高代码的可读性和可维护性。

    依赖正置就是类间的依赖是实实在在的实现类间的依赖，也就是面向实现编程，这也是正常人的思维方式，我要开奔驰车就依赖奔驰车，我要使用笔记本电脑就直接依 赖笔记本电脑，而编写程序需要的是对现实世界的事物进行抽象，抽象的结构就是有了抽象类和接口，然后我们根据系统设计的需要产生了抽象间的依赖，代替了人们传统思维中的事物间的依赖，“倒置”就是从这里产生的。

4、接口隔离原则

    定义：客户端不应该依赖那些它不需要的接口。 

    另一种定义方法：一旦一个接口太大，则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。

    注意，在该定义中的接口指的是所定义的方法。例如外面调用某个类的public方法。这个方法对外就是接口。

    原则分析：

    1）接口隔离原则是指使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口。每一个接口应该承担一种相对独立的角色，不多不少，不干不该干的事，该干的事都要干。

A、一个接口就只代表一个角色，每个角色都有它特定的一个接口，此时这个原则可以叫做“角色隔离原则”。 

B、接口仅仅提供客户端需要的行为，即所需的方法，客户端不需要的行为则隐藏起来，应当为客户端提供尽可能小的单独的接口，而不要提供大的总接口。 

    2）使用接口隔离原则拆分接口时，首先必须满足单一职责原则，将一组相关的操作定义在一个接口中，且在满足高内聚的前提下，接口中的方法越少越好。

    3）可以在进行系统设计时采用定制服务的方式，即为不同的客户端提供宽窄不同的接口，只提供用户需要的行为，而隐藏用户不需要的行为。

5、迪米特原则

    定义：又叫最少知识原则（Least Knowledge Principle或简写为LKP）几种形式定义：

    (1) 不要和“陌生人”说话。英文定义为：Don‘t talk to strangers.

    (2) 只与你的直接朋友通信。英文定义为：Talk only to your immediatefriends.

    (3) 每一个软件单位对其他的单位都只有最少的知识，而且局限于那些与本单位密切相关的软件单位。

    简单地说，一个对象应当对其它对象有尽可能少的了解。一个类应该对自己需要耦合或调用的类知道得最少，你（被耦合或调用的类）的内部是如何复杂都和我没关系，那是你的事情，我就知道你提供的public方法，我就调用这么多，其他的一概不关心。

    法则分析：

    1）朋友类：

    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。

    任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的“朋友”，否则就是“陌生人”。

    2）狭义法则和广义法则：

    在狭义的迪米特法则中，如果两个类之间不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用，如果其中的一个类需要调用另一个类的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。 

    狭义的迪米特法则：可以降低类之间的耦合，但是会在系统中增加大量的小方法并散落在系统的各个角落，它可以使一个系统的局部设计简化，因为每一个局部都不会和远距离的对象有直接的关联，但是也会造成系统的不同模块之间的通信效率降低，使得系统的不同模块之间不容易协调。

    广义的迪米特法则：指对对象之间的信息流量、流向以及信息的影响的控制，主要是对信息隐藏的控制。 信息的隐藏可以使各个子系统之间脱耦，从而允许它们独立地被开发、优化、使用和修改，同时可以促进软件的复用，由于每一个模块都不依赖于其他模块而存在， 因此每一个模块都可以独立地在其他的地方使用。一个系统的规模越大，信息的隐藏就越重要，而信息隐藏的重要性也就越明显。

    3）迪米特法则的主要用途：在于控制信息的过载。

    A、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；

    B、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；

    C、在类的设计上，只要有可能，一个类型应当设计成不变类；

    D、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。

6、合成复用原则

    定义：经常又叫做合成复用原则（Composite ReusePrinciple或CRP），尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。

    就是在一个新的对象里面使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过向这些对象的委派达到复用已有功能的目的。简而言之，要尽量使用合成/聚合，尽量不要使用继承。

    原则分析：

    1）在面向对象设计中，可以通过两种基本方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合/聚合关系或通过继承。

    继承复用：实现简单，易于扩展。破坏系统的封装性；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；只能在有限的环境中使用。（“白箱”复用）

    组合/聚合复用：耦合度相对较低，选择性地调用成员对象的操作；可以在运行时动态进行。（“黑箱”复用）

    2）组合/聚合可以使系统更加灵活，类与类之间的耦合度降低，一个类的变化对其他类造成的影响相对较少，因此一般首选使用组合/聚合来实现复用；其次才考虑继承，在使用继承时，需要严格遵循里氏代换原则，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。

    3）此原则和里氏代换原则氏相辅相成的,两者都是具体实现"开-闭"原则的规范。违反这一原则，就无法实现"开-闭"原则，首先我们要明白合成和聚合的概念：

    什么是合成?

    合成（组合）：表示一个整体与部分的关系，指一个依托整体而存在的关系（整体与部分不可以分开）,例如:一个人对他的房子和家具,其中他的房子和家具是不能被共享的,因为那些东西都是他自己的。并且人没了,这个也关系就没了。这个例子就好像,乌鸡百凤丸这个产品,它是有乌鸡和上等药材合成而来的一样。也比如网络游戏中的武器装备合成一样,多种东西合并为一种超强的东西一样。

    虽然组合表示的是一个整体与部分的关系，但是组合关系中部分和整体具有统一的生存期。一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在，部分对象与整体对象之间具有同生共死的关系。

    在组合关系中，成员类是整体类的一部分，而且整体类可以控制成员类的生命周期，即成员类的存在依赖于整体类。在UML中，组合关系用带实心菱形的直线表示。

    什么是聚合?

    聚合:聚合是比合成关系的一种更强的依赖关系,也表示整体与部分的关系（整体与部分可以分开）, 例如,一个奔驰S360汽车,对奔驰S360引擎,奔驰S360轮胎的关系..这些关系就是带有聚合性质的。因为奔驰S360引擎和奔驰S360轮胎他们 只能被奔驰S360汽车所用,离开了奔驰S360汽车,它们就失去了存在的意义。在我们的设计中,这样的关系不应该频繁出现.这样会增大设计的耦合度。

    在面向对象中的聚合：通常在定义一个整体类后，再去分析这个整体类的组成结构，从而找出一些成员类，该整体类和成员类之间就形成了聚合关系。在聚合关系中，成员类是整体类的一部分，即成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象独立存在。在UML中，聚合关系用带空心菱形的直线表示。

7、单一职责原则

    定义：一个对象应该只包含单一的职责，并且该职责被完整地封装在一个类中。

    问题由来：类T负责两个不同的职责：职责P1，职责P2。当由于职责P1需求发生改变而需要修改类T时，有可能会导致原本运行正常的职责P2功能发生故障。

    解决方案：遵循单一职责原则。分别建立两个类T1、T2，使T1完成职责P1功能，T2完成职责P2功能。这样，当修改类T1时，不会使职责P2发生故障风险；同理，当修改T2时，也不会使职责P1发生故障风险。

    原则分析：

    1)一个类（或者大到模块，小到方法）承担的职责越多，它被复用的可能性越小，而且如果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。 
    2)类的职责主要包括两个方面：数据职责和行为职责，数据职责通过其属性来体现，而行为职责通过其方法来体现。
    3)单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针，在很多代码重构手法中都能找到它的存在，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重构经验。 

    优点：
    A、降低类的复杂性，类的职责清晰明确。比如数据职责和行为职责清晰明确。
    B、提高类的可读性和维护性，
    C、变更引起的风险减低，变更是必不可少的，如果接口的单一职责做得好，一个接口修改只对相应的类有影响，对其他接口无影响，这对系统的扩展性、维护性都有非常大的帮助。
    注意：单一职责原则提出了一个编写程序的标准，用“职责”或“变化原因”来衡量接口或类设计得是否合理，但是“职责”和“变化原因”都是没有具体标准的，一个类到底要负责那些职责？这些职责怎么细化？细化后是否都要有一个接口或类？这些都需从实际的情况考虑。因项目而异，因环境而异。

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设计模式——设计模式与设计原则