设计模式简介

![设计模式](/media/202203/2022-03-05_2153460.22242428040179207.png)

设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

设计模式是**一套被反复使用的、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重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于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**，如同大厦的一块块砖石一样。

项目中合理地运用设计模式可以完美地解决很多问题，每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应，每种模式都描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是设计模式能被广泛应用的原因。

## 什么是 GOF（四人帮，全拼 Gang of Four）？

在 1994 年，由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 四人合著出版了一本名为 **Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）** 的书，该书首次提到了软件开发中设计模式的概念。

四位作者合称  **GOF（四人帮，全拼 Gang of Four）** 。他们所提出的设计模式主要是基于以下的面向对象设计原则。

* **对接口编程而不是对实现编程**。
* **优先使用对象组合而不是继承**。

## 设计模式的使用

设计模式在软件开发中的两个主要用途。

### 开发人员的共同平台

设计模式提供了一个标准的术语系统，且具体到特定的情景。例如，单例设计模式意味着使用单个对象，这样所有熟悉单例设计模式的开发人员都能使用单个对象，并且可以通过这种方式告诉对方，程序使用的是单例模式。

### 最佳的实践

设计模式已经经历了很长一段时间的发展，它们提供了软件开发过程中面临的一般问题的最佳解决方案。学习这些模式有助于经验不足的开发人员通过一种简单快捷的方式来学习软件设计。

## 分类

设计模式有两种分类方法，即根据模式的目的来分和根据模式的作用范围来分。

1. 根据目的来分
   
   根据模式是用来完成什么工作来划分，这种方式可分为创建型模式、结构型模式和行为型模式 3 种。
   
   - **创建型模式**：用于描述“怎样创建对象”，它的主要特点是“**将对象的创建与使用分离**”。GoF 中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等 5 种创建型模式。
   - **结构型模式**：用于描述如何**将类或对象按某种布局组成更大的结构**，GoF 中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。
   - **行为型模式**：用于描述类或对象之间怎样**相互协作**共同完成单个对象都无法单独完成的任务，以及怎样**分配职责**。GoF 中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等 11 种行为型模式。
   - 总结：
     | 类型   | 目标     | 特点                               |
     | ------ | -------- | ---------------------------------- |
     | 创建型 | 对象     | 将对象的创建与使用分离             |
     | 结构型 | 类或对象 | 将类或对象按某种布局组成更大的结构 |
     | 行为型 | 类或对象 | 相互协作、分配职责                 |
2. 根据作用范围来分
   
   根据模式是主要用于类上还是主要用于对象上来分，这种方式可分为类模式和对象模式两种。
   
   - **类模式**：用于处理**类与子类**之间的关系，这些关系**通过继承**来建立，是**静态**的，在**编译时**刻便确定下来了。GoF 中的工厂方法、（类）适配器、模板方法、解释器属于该模式。
   - **对象模式**：用于处理**对象之间**的关系，这些关系可以通过**组合或聚合**来实现，在**运行时**是可以变化的，更具**动态性**。GoF 中除了以上 4 种，其他的都是对象模式。
   - 总结：
     | 类型     | 目标     | 方式   | 特点 | 
| -------- | -------- | ------ | ------ |
| 类模式   | 类与子类 | 继承 | 静态、编译时 |
| 对象模式 | 对象之间 |  组合或聚合      | 动态、运行时 |

## 设计模式的类型

![设计模式的类型](/media/202203/2022-03-05_2151250.3728848408390184.png)

根据设计模式的参考书 **Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）** 中所提到的，总共有 23 种设计模式。这些模式可以分为三大类：创建型模式（Creational Patterns）、结构型模式（Structural Patterns）、行为型模式（Behavioral Patterns）。当然，我们还会讨论另一类设计模式：J2EE 设计模式。

| 序号 | 模式 & 描述                                                                                                                                                                     | 包括                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    |
| ---- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 1    | **创建型模式**这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。 | * 工厂模式（Factory Pattern）* 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）* 单例模式（Singleton Pattern）* 建造者模式（Builder Pattern）* 原型模式（Prototype Pattern）                                                                                                                                                                                                                                    |
| 2    | **结构型模式**这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。                                                                    | * 适配器模式（Adapter Pattern）* 桥接模式（Bridge Pattern）* 过滤器模式（Filter、Criteria Pattern）* 组合模式（Composite Pattern）* 装饰器模式（Decorator Pattern）* 外观模式（Facade Pattern）* 享元模式（Flyweight Pattern）* 代理模式（Proxy Pattern）                                                                                                                                               |
| 3    | **行为型模式**这些设计模式特别关注对象之间的通信。                                                                                                                        | * 责任链模式（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）* 空对象模式（Null Object Pattern）* 策略模式（Strategy Pattern）* 模板模式（Template Pattern）* 访问者模式（Visitor Pattern） |
| 4    | **J2EE 模式**这些设计模式特别关注表示层。这些模式是由 Sun Java Center 鉴定的。                                                                                            | * MVC 模式（MVC Pattern）* 业务代表模式（Business Delegate Pattern）* 组合实体模式（Composite Entity Pattern）* 数据访问对象模式（Data Access Object Pattern）* 前端控制器模式（Front Controller Pattern）* 拦截过滤器模式（Intercepting Filter Pattern）* 服务定位器模式（Service Locator Pattern）* 传输对象模式（Transfer Object Pattern）                                                           |

![设计模式类型](/media/202203/2022-03-16_140653_582275.png)

下面用一个图片来整体描述一下设计模式之间的关系：

![设计模式之间的关系](/media/202203/2022-03-05_2148360.31495811016350517.png "设计模式之间的关系")

## GoF 的 23 种设计模式的功能

前面说明了 GoF 的 23 种设计模式的分类，现在对各个模式的功能进行介绍。

1. 单例（Singleton）模式：某个类只能生成一个实例，该类提供了一个全局访问点供外部获取该实例，其拓展是有限多例模式。
2. 原型（Prototype）模式：将一个对象作为原型，通过对其进行复制而克隆出多个和原型类似的新实例。
3. 工厂方法（Factory Method）模式：定义一个用于创建产品的接口，由子类决定生产什么产品。
4. 抽象工厂（AbstractFactory）模式：提供一个创建产品族的接口，其每个子类可以生产一系列相关的产品。
5. 建造者（Builder）模式：将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。
6. 代理（Proxy）模式：为某对象提供一种代理以控制对该对象的访问。即客户端通过代理间接地访问该对象，从而限制、增强或修改该对象的一些特性。
7. 适配器（Adapter）模式：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类能一起工作。
8. 桥接（Bridge）模式：将抽象与实现分离，使它们可以独立变化。它是用组合关系代替继承关系来实现，从而降低了抽象和实现这两个可变维度的耦合度。
9. 装饰（Decorator）模式：动态的给对象增加一些职责，即增加其额外的功能。
10. 外观（Facade）模式：为多个复杂的子系统提供一个一致的接口，使这些子系统更加容易被访问。
11. 享元（Flyweight）模式：运用共享技术来有效地支持大量细粒度对象的复用。
12. 组合（Composite）模式：将对象组合成树状层次结构，使用户对单个对象和组合对象具有一致的访问性。
13. 模板方法（TemplateMethod）模式：定义一个操作中的算法骨架，而将算法的一些步骤延迟到子类中，使得子类可以不改变该算法结构的情况下重定义该算法的某些特定步骤。
14. 策略（Strategy）模式：定义了一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换，且算法的改变不会影响使用算法的客户。
15. 命令（Command）模式：将一个请求封装为一个对象，使发出请求的责任和执行请求的责任分割开。
16. 职责链（Chain of Responsibility）模式：把请求从链中的一个对象传到下一个对象，直到请求被响应为止。通过这种方式去除对象之间的耦合。
17. 状态（State）模式：允许一个对象在其内部状态发生改变时改变其行为能力。
18. 观察者（Observer）模式：多个对象间存在一对多关系，当一个对象发生改变时，把这种改变通知给其他多个对象，从而影响其他对象的行为。
19. 中介者（Mediator）模式：定义一个中介对象来简化原有对象之间的交互关系，降低系统中对象间的耦合度，使原有对象之间不必相互了解。
20. 迭代器（Iterator）模式：提供一种方法来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。
21. 访问者（Visitor）模式：在不改变集合元素的前提下，为一个集合中的每个元素提供多种访问方式，即每个元素有多个访问者对象访问。
22. 备忘录（Memento）模式：在不破坏封装性的前提下，获取并保存一个对象的内部状态，以便以后恢复它。
23. 解释器（Interpreter）模式：提供如何定义语言的文法，以及对语言句子的解释方法，即解释器。

必须指出，这 23 种设计模式不是孤立存在的，很多模式之间存在一定的关联关系，在大的系统开发中常常同时使用多种设计模式，希望读者认真学好它们。

## 设计模式的六大原则

- **开闭原则（Open Close Principle）**

开闭原则的意思是： **对扩展开放，对修改关闭** 。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。

- **里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）**

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。LSP 是继承复用的基石，只有当派生类可以替换掉基类，且软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对开闭原则的补充。实现开闭原则的关键步骤就是抽象化，而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

- **依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）**

这个原则是开闭原则的基础，具体内容：针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

- **接口隔离原则（Interface Segregation Principle）**

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。它还有另外一个意思是：降低类之间的耦合度。由此可见，其实设计模式就是从大型软件架构出发、便于升级和维护的软件设计思想，它强调降低依赖，降低耦合。

- **迪米特法则，又称最少知道原则（Demeter Principle）**

最少知道原则是指：一个实体应当尽量少地与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

- **合成复用原则（Composite Reuse Principle）**

合成复用原则是指：尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

## 参考资料

- [设计模式](https://refactoringguru.cn/design-patterns/catalog)
- [菜鸟教程：设计模式](https://www.runoob.com/design-pattern/design-pattern-tutorial.html)
- [软件设计模式](http://c.biancheng.net/view/1317.html)
- [游戏设计模式](https://gpp.tkchu.me/)
- [php 设计模式全集](https://learnku.com/docs/php-design-patterns/2018)
- 尚硅谷 Java 设计模式（图解 + 框架源码剖析）bilibili:  https://www.bilibili.com/video/BV1G4411c7N4