Kotlin 设计模式及实战 (持续更新中......)

Kotlin 设计模式及实战

“每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题,以及该问题的解决方案的核心。这样,你就能一次又一次地使用该方案而不必做重复劳动”。 Christopher Alexander

模式:在一定环境中解决某一问题的方案,包括三个基本元素:

  • 问题
  • 解决方案
  • 环境

引子

面向对象的设计原则也被称为SOLID。在设计和开发软件时可以应用这些原则,以便创建易于维护和开发的程序。SOLID最初是由Robert C.Martin所提出的,它们是敏捷软件开发过程的一部分。SOLID原则包括单一职责原则、开闭原则、里氏替换原则、接口隔离原则和依赖倒置原则。

借助设计模式,开发者可以改进代码库,提高代码可重用性,并使技术架构更加健壮。随着编程语言的不断发展,新的语言特性在得到广泛应用之前往往需要大量时间去理解。

Kotlin 语言本身在设计上就有很多设计模式方面的最佳实践案例,例如object对象就是单例模式,delegate委托模式等等。

当面向对象遇到函数式编程

概述

什么是编程范式

命令式

声明式

函数式

Kotlin 简介

历史

特性

快速体验

统一建模语言 UML

简介

统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)是用来设计软件蓝图的可视化建模语言,1997 年被国际对象管理组织(OMG)采纳为面向对象的建模语言的国际标准。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息。

统一建模语言能为软件开发的所有阶段提供模型化和可视化支持。而且融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术,使软件设计人员沟通更简明,进一步缩短了设计时间,减少开发成本。它的应用领域很宽,不仅适合于一般系统的开发,而且适合于并行与分布式系统的建模。

UML 从目标系统的不同角度出发,定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图等 9 种图。

类与类之间的关系

继承与泛化

接口与实现

依赖

关联

组合

聚合

在软件系统中,类不是孤立存在的,类与类之间存在各种关系。根据类与类之间的耦合度从弱到强排列,UML 中的类图有以下几种关系:依赖关系、关联关系、聚合关系、组合关系、泛化关系和实现关系。其中泛化和实现的耦合度相等,它们是最强的。

1. 依赖关系

依赖(Dependency)关系是一种使用关系,它是对象之间耦合度最弱的一种关联方式,是临时性的关联。在代码中,某个类的方法通过局部变量、方法的参数或者对静态方法的调用来访问另一个类(被依赖类)中的某些方法来完成一些职责。

在 UML 类图中,依赖关系使用带箭头的虚线来表示,箭头从使用类指向被依赖的类。下图所示是人与手机的关系图,人通过手机的语音传送方法打电话。

依赖关系的实例

与关联关系不同的是,它是一种临时性的关系,通常在运行期间产生,并且随着运行时的变化; 依赖关系也可能发生变化;

显然,依赖也有方向,双向依赖是一种非常糟糕的结构,我们总是应该保持单向依赖,杜绝双向依赖的产生;

注:在最终代码中,依赖关系体现为类构造方法及类方法的传入参数,箭头的指向为调用关系;依赖关系除了临时知道对方外,还是“使用”对方的方法和属性;

2. 关联关系

关联(Association)关系是对象之间的一种引用关系,用于表示一类对象与另一类对象之间的联系,如老师和学生、师傅和徒弟、丈夫和妻子等。关联关系是类与类之间最常用的一种关系,分为一般关联关系、聚合关系和组合关系。我们先介绍一般关联。

关联可以是双向的,也可以是单向的。在 UML 类图中,双向的关联可以用带两个箭头或者没有箭头的实线来表示,单向的关联用带一个箭头的实线来表示,箭头从使用类指向被关联的类。也可以在关联线的两端标注角色名,代表两种不同的角色。

在代码中通常将一个类的对象作为另一个类的成员变量来实现关联关系。下图所示是老师和学生的关系图,每个老师可以教多个学生,每个学生也可向多个老师学,他们是双向关联。

关联关系的实例

3. 聚合关系

聚合(Aggregation)关系是关联关系的一种,是强关联关系,是整体和部分之间的关系,是 has-a 的关系。

聚合关系也是通过成员对象来实现的,其中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而独立存在。例如,学校与老师的关系,学校包含老师,但如果学校停办了,老师依然存在。

在 UML 类图中,聚合关系可以用带空心菱形的实线来表示,菱形指向整体。下图 所示是大学和教师的关系图。

聚合关系的实例

4.组合关系

组合(Composition)关系也是关联关系的一种,也表示类之间的整体与部分的关系,但它是一种更强烈的聚合关系,是 cxmtains-a 关系。

在组合关系中,整体对象可以控制部分对象的生命周期,一旦整体对象不存在,部分对象也将不存在,部分对象不能脱离整体对象而存在。例如,头和嘴的关系,没有了头,嘴也就不存在了。

在 UML 类图中,组合关系用带实心菱形的实线来表示,菱形指向整体。下图所示是头和嘴的关系图。

组合关系的实例

5.泛化关系

泛化(Generalization)关系是对象之间耦合度最大的一种关系,表示一般与特殊的关系,是父类与子类之间的关系,是一种继承关系,是 is-a 的关系。

在 UML 类图中,泛化关系用带空心三角箭头的实线来表示,箭头从子类指向父类。在代码实现时,使用面向对象的继承机制来实现泛化关系。例如,Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类,其类图如图 所示。

泛化关系的实例

6.实现关系

实现(Realization)关系是接口与实现类之间的关系。在这种关系中,类实现了接口,类中的操作实现了接口中所声明的所有的抽象操作。

在 UML 类图中,实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示,箭头从实现类指向接口。例如,汽车和船实现了交通工具,其类图如图 所示。

实现关系的实例

时序图

为了展示对象之间的交互细节,后续对设计模式解析的章节,都会用到时序图;

时序图(Sequence Diagram)是显示对象之间交互的图,这些对象是按时间顺序排列的。时序图中显示的是参与交互的对象及其对象之间消息交互的顺序。

时序图包括的建模元素主要有:对象(Actor)、生命线(Lifeline)、控制焦点(Focus of control)、消息(Message)等等。

设计原则和模式

六大设计原则

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

设计模式整体关系

用一个图片来整体描述一下设计模式之间的关系:

创建型模式

1. 简单工厂模式( Simple Factory Pattern )

目录

1.1. 模式动机

考虑一个简单的软件应用场景,一个软件系统可以提供多个外观不同的按钮(如圆形按钮、矩形按钮、菱形按钮等), 这些按钮都源自同一个基类,不过在继承基类后不同的子类修改了部分属性从而使得它们可以呈现不同的外观,如果我们希望在使用这些按钮时,不需要知道这些具体按钮类的名字,只需要知道表示该按钮类的一个参数,并提供一个调用方便的方法,把该参数传入方法即可返回一个相应的按钮对象,此时,就可以使用简单工厂模式。

1.2. 模式定义

简单工厂模式(Simple Factory Pattern):又称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式,它属于类创建型模式。在简单工厂模式中,可以根据参数的不同返回不同类的实例。简单工厂模式专门定义一个类来负责创建其他类的实例,被创建的实例通常都具有共同的父类。

1.3. 模式结构

简单工厂模式包含如下角色:

Factory:工厂角色 工厂角色负责实现创建所有实例的内部逻辑 Product:抽象产品角色 抽象产品角色是所创建的所有对象的父类,负责描述所有实例所共有的公共接口 ConcreteProduct:具体产品角色 具体产品角色是创建目标,所有创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。

1.4. 时序图

../_images/seq_SimpleFactory.jpg

1.5. 代码分析

///////////////////////////////////////////////////////////
//  Factory.cpp
//  Implementation of the Class Factory
//  Created on:      01-十月-2014 18:41:33
//  Original author: colin
///////////////////////////////////////////////////////////

#include "Factory.h"
#include "ConcreteProductA.h"
#include "ConcreteProductB.h"
Product* Factory::createProduct(string proname){
    if ( "A" == proname )
    {
        return new ConcreteProductA();
    }
    else if("B" == proname)
    {
        return new ConcreteProductB();
    }
    return  NULL;
}

1.6. 模式分析

  • 将对象的创建和对象本身业务处理分离可以降低系统的耦合度,使得两者修改起来都相对容易。
  • 在调用工厂类的工厂方法时,由于工厂方法是静态方法,使用起来很方便,可通过类名直接调用,而且只需要传入一个简单的参数即可,在实际开发中,还可以在调用时将所传入的参数保存在XML等格式的配置文件中,修改参数时无须修改任何源代码。
  • 简单工厂模式最大的问题在于工厂类的职责相对过重,增加新的产品需要修改工厂类的判断逻辑,这一点与开闭原则是相违背的。
  • 简单工厂模式的要点在于:当你需要什么,只需要传入一个正确的参数,就可以获取你所需要的对象,而无须知道其创建细节。

1.7. 实例

(略)

1.8. 简单工厂模式的优点

  • 工厂类含有必要的判断逻辑,可以决定在什么时候创建哪一个产品类的实例,客户端可以免除直接创建产品对象的责任,而仅仅“消费”产品;简单工厂模式通过这种做法实现了对责任的分割,它提供了专门的工厂类用于创建对象。
  • 客户端无须知道所创建的具体产品类的类名,只需要知道具体产品类所对应的参数即可,对于一些复杂的类名,通过简单工厂模式可以减少使用者的记忆量。
  • 通过引入配置文件,可以在不修改任何客户端代码的情况下更换和增加新的具体产品类,在一定程度上提高了系统的灵活性。

1.9. 简单工厂模式的缺点

  • 由于工厂类集中了所有产品创建逻辑,一旦不能正常工作,整个系统都要受到影响。
  • 使用简单工厂模式将会增加系统中类的个数,在一定程序上增加了系统的复杂度和理解难度。
  • 系统扩展困难,一旦添加新产品就不得不修改工厂逻辑,在产品类型较多时,有可能造成工厂逻辑过于复杂,不利于系统的扩展和维护。
  • 简单工厂模式由于使用了静态工厂方法,造成工厂角色无法形成基于继承的等级结构。

1.10. 适用环境

在以下情况下可以使用简单工厂模式:

  • 工厂类负责创建的对象比较少:由于创建的对象较少,不会造成工厂方法中的业务逻辑太过复杂。
  • 客户端只知道传入工厂类的参数,对于如何创建对象不关心:客户端既不需要关心创建细节,甚至连类名都不需要记住,只需要知道类型所对应的参数。

1.11. 模式应用

JDK类库中广泛使用了简单工厂模式,如工具类java.text.DateFormat,它用于格式化一个本地日期或者时间。

public final static DateFormat getDateInstance();
public final static DateFormat getDateInstance(int style);
public final static DateFormat getDateInstance(int style,Locale
locale);

Java加密技术 获取不同加密算法的密钥生成器:

KeyGenerator keyGen=KeyGenerator.getInstance("DESede");

创建密码器:

Cipher cp=Cipher.getInstance("DESede");

1.12. 总结

  • 创建型模式对类的实例化过程进行了抽象,能够将对象的创建与对象的使用过程分离。
  • 简单工厂模式又称为静态工厂方法模式,它属于类创建型模式。在简单工厂模式中,可以根据参数的不同返回不同类的实例。简单工厂模式专门定义一个类来负责创建其他类的实例,被创建的实例通常都具有共同的父类。
  • 简单工厂模式包含三个角色:工厂角色负责实现创建所有实例的内部逻辑;抽象产品角色是所创建的所有对象的父类,负责描述所有实例所共有的公共接口;具体产品角色是创建目标,所有创建的对象都充当这个角色的某个具体类的实例。
  • 简单工厂模式的要点在于:当你需要什么,只需要传入一个正确的参数,就可以获取你所需要的对象,而无须知道其创建细节。
  • 简单工厂模式最大的优点在于实现对象的创建和对象的使用分离,将对象的创建交给专门的工厂类负责,但是其最大的缺点在于工厂类不够灵活,增加新的具体产品需要修改工厂类的判断逻辑代码,而且产品较多时,工厂方法代码将会非常复杂。
  • 简单工厂模式适用情况包括:工厂类负责创建的对象比较少;客户端只知道传入工厂类的参数,对于如何创建对象不关心。

2. 工厂方法模式(Factory Method Pattern)

目录

2.1. 模式动机

现在对该系统进行修改,不再设计一个按钮工厂类来统一负责所有产品的创建,而是将具体按钮的创建过程交给专门的工厂子类去完成,我们先定义一个抽象的按钮工厂类,再定义具体的工厂类来生成圆形按钮、矩形按钮、菱形按钮等,它们实现在抽象按钮工厂类中定义的方法。这种抽象化的结果使这种结构可以在不修改具体工厂类的情况下引进新的产品,如果出现新的按钮类型,只需要为这种新类型的按钮创建一个具体的工厂类就可以获得该新按钮的实例,这一特点无疑使得工厂方法模式具有超越简单工厂模式的优越性,更加符合“开闭原则”。

2.2. 模式定义

工厂方法模式(Factory Method Pattern)又称为工厂模式,也叫虚拟构造器(Virtual Constructor)模式或者多态工厂(Polymorphic Factory)模式,它属于类创建型模式。在工厂方法模式中,工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口,而工厂子类则负责生成具体的产品对象,这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成,即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

2.3. 模式结构

工厂方法模式包含如下角色:

  • Product:抽象产品
  • ConcreteProduct:具体产品
  • Factory:抽象工厂
  • ConcreteFactory:具体工厂

../_images/FactoryMethod.jpg

2.4. 时序图

../_images/seq_FactoryMethod.jpg

2.5. 代码分析

///////////////////////////////////////////////////////////
//  ConcreteFactory.cpp
//  Implementation of the Class ConcreteFactory
//  Created on:      02-十月-2014 10:18:58
//  Original author: colin
///////////////////////////////////////////////////////////

#include "ConcreteFactory.h"
#include "ConcreteProduct.h"

Product* ConcreteFactory::factoryMethod(){

    return  new ConcreteProduct();
}


#include "Factory.h"
#include "ConcreteFactory.h"
#include "Product.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    Factory * fc = new ConcreteFactory();
    Product * prod = fc->factoryMethod();
    prod->use();
    
    delete fc;
    delete prod;
    
    return 0;
}

2.6. 模式分析

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。由于使用了面向对象的多态性,工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点,而且克服了它的缺点。在工厂方法模式中,核心的工厂类不再负责所有产品的创建,而是将具体创建工作交给子类去做。这个核心类仅仅负责给出具体工厂必须实现的接口,而不负责哪一个产品类被实例化这种细节,这使得工厂方法模式可以允许系统在不修改工厂角色的情况下引进新产品。

2.7. 实例

日志记录器

某系统日志记录器要求支持多种日志记录方式,如文件记录、数据库记录等,且用户可以根据要求动态选择日志记录方式, 现使用工厂方法模式设计该系统。

结构图:

../_images/loger.jpg

时序图:

../_images/seq_loger.jpg

2.8. 工厂方法模式的优点

  • 在工厂方法模式中,工厂方法用来创建客户所需要的产品,同时还向客户隐藏了哪种具体产品类将被实例化这一细节,用户只需要关心所需产品对应的工厂,无须关心创建细节,甚至无须知道具体产品类的类名。
  • 基于工厂角色和产品角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能够使工厂可以自主确定创建何种产品对象,而如何创建这个对象的细节则完全封装在具体工厂内部。工厂方法模式之所以又被称为多态工厂模式,是因为所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
  • 使用工厂方法模式的另一个优点是在系统中加入新产品时,无须修改抽象工厂和抽象产品提供的接口,无须修改客户端,也无须修改其他的具体工厂和具体产品,而只要添加一个具体工厂和具体产品就可以了。这样,系统的可扩展性也就变得非常好,完全符合“开闭原则”。

2.9. 工厂方法模式的缺点

  • 在添加新产品时,需要编写新的具体产品类,而且还要提供与之对应的具体工厂类,系统中类的个数将成对增加,在一定程度上增加了系统的复杂度,有更多的类需要编译和运行,会给系统带来一些额外的开销。
  • 由于考虑到系统的可扩展性,需要引入抽象层,在客户端代码中均使用抽象层进行定义,增加了系统的抽象性和理解难度,且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术,增加了系统的实现难度。

2.10. 适用环境

在以下情况下可以使用工厂方法模式:

  • 一个类不知道它所需要的对象的类:在工厂方法模式中,客户端不需要知道具体产品类的类名,只需要知道所对应的工厂即可,具体的产品对象由具体工厂类创建;客户端需要知道创建具体产品的工厂类。
  • 一个类通过其子类来指定创建哪个对象:在工厂方法模式中,对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口,而由其子类来确定具体要创建的对象,利用面向对象的多态性和里氏代换原则,在程序运行时,子类对象将覆盖父类对象,从而使得系统更容易扩展。
  • 将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个,客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类,需要时再动态指定,可将具体工厂类的类名存储在配置文件或数据库中。

2.11. 模式应用

JDBC中的工厂方法:

Connection conn=DriverManager.getConnection("jdbc:microsoft:sqlserver://loc
alhost:1433; DatabaseName=DB;user=sa;password=");
Statement statement=conn.createStatement();
ResultSet rs=statement.executeQuery("select * from UserInfo");

2.12. 模式扩展

  • 使用多个工厂方法:在抽象工厂角色中可以定义多个工厂方法,从而使具体工厂角色实现这些不同的工厂方法,这些方法可以包含不同的业务逻辑,以满足对不同的产品对象的需求。
  • 产品对象的重复使用:工厂对象将已经创建过的产品保存到一个集合(如数组、List等)中,然后根据客户对产品的请求,对集合进行查询。如果有满足要求的产品对象,就直接将该产品返回客户端;如果集合中没有这样的产品对象,那么就创建一个新的满足要求的产品对象,然后将这个对象在增加到集合中,再返回给客户端。
  • 多态性的丧失和模式的退化:如果工厂仅仅返回一个具体产品对象,便违背了工厂方法的用意,发生退化,此时就不再是工厂方法模式了。一般来说,工厂对象应当有一个抽象的父类型,如果工厂等级结构中只有一个具体工厂类的话,抽象工厂就可以省略,也将发生了退化。当只有一个具体工厂,在具体工厂中可以创建所有的产品对象,并且工厂方法设计为静态方法时,工厂方法模式就退化成简单工厂模式。

2.13. 总结

  • 工厂方法模式又称为工厂模式,它属于类创建型模式。在工厂方法模式中,工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口,而工厂子类则负责生成具体的产品对象,这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成,即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。
  • 工厂方法模式包含四个角色:抽象产品是定义产品的接口,是工厂方法模式所创建对象的超类型,即产品对象的共同父类或接口;具体产品实现了抽象产品接口,某种类型的具体产品由专门的具体工厂创建,它们之间往往一一对应;抽象工厂中声明了工厂方法,用于返回一个产品,它是工厂方法模式的核心,任何在模式中创建对象的工厂类都必须实现该接口;具体工厂是抽象工厂类的子类,实现了抽象工厂中定义的工厂方法,并可由客户调用,返回一个具体产品类的实例。
  • 工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。由于使用了面向对象的多态性,工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点,而且克服了它的缺点。在工厂方法模式中,核心的工厂类不再负责所有产品的创建,而是将具体创建工作交给子类去做。这个核心类仅仅负责给出具体工厂必须实现的接口,而不负责产品类被实例化这种细节,这使得工厂方法模式可以允许系统在不修改工厂角色的情况下引进新产品。
  • 工厂方法模式的主要优点是增加新的产品类时无须修改现有系统,并封装了产品对象的创建细节,系统具有良好的灵活性和可扩展性;其缺点在于增加新产品的同时需要增加新的工厂,导致系统类的个数成对增加,在一定程度上增加了系统的复杂性。
  • 工厂方法模式适用情况包括:一个类不知道它所需要的对象的类;一个类通过其子类来指定创建哪个对象;将创建对象的任务委托给多个工厂子类中的某一个,客户端在使用时可以无须关心是哪一个工厂子类创建产品子类,需要时再动态指定。

行为型模式

责任链模式

命令模式

解释器模式

迭代器模式

观察者模式

当对象间存在一对多关系时,则使用观察者模式(Observer Pattern)。比如,当一个对象被修改时,则会自动通知它的依赖对象。观察者模式属于行为型模式。

介绍

意图: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得到通知并被自动更新。

主要解决:一个对象状态改变给其他对象通知的问题,而且要考虑到易用和低耦合,保证高度的协作。

何时使用:一个对象(目标对象)的状态发生改变,所有的依赖对象(观察者对象)都将得到通知,进行广播通知。

如何解决:使用面向对象技术,可以将这种依赖关系弱化。

关键代码:在抽象类里有一个 ArrayList 存放观察者们。

应用实例: 1、拍卖的时候,拍卖师观察最高标价,然后通知给其他竞价者竞价。 2、西游记里面悟空请求菩萨降服红孩儿,菩萨洒了一地水招来一个老乌龟,这个乌龟就是观察者,他观察菩萨洒水这个动作。

优点: 1、观察者和被观察者是抽象耦合的。 2、建立一套触发机制。

缺点: 1、如果一个被观察者对象有很多的直接和间接的观察者的话,将所有的观察者都通知到会花费很多时间。 2、如果在观察者和观察目标之间有循环依赖的话,观察目标会触发它们之间进行循环调用,可能导致系统崩溃。 3、观察者模式没有相应的机制让观察者知道所观察的目标对象是怎么发生变化的,而仅仅只是知道观察目标发生了变化。

使用场景:

  • 一个抽象模型有两个方面,其中一个方面依赖于另一个方面。将这些方面封装在独立的对象中使它们可以各自独立地改变和复用。
  • 一个对象的改变将导致其他一个或多个对象也发生改变,而不知道具体有多少对象将发生改变,可以降低对象之间的耦合度。
  • 一个对象必须通知其他对象,而并不知道这些对象是谁。
  • 需要在系统中创建一个触发链,A对象的行为将影响B对象,B对象的行为将影响C对象……,可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。

注意事项: 1、JAVA 中已经有了对观察者模式的支持类。 2、避免循环引用。 3、如果顺序执行,某一观察者错误会导致系统卡壳,一般采用异步方式。

实现

观察者模式使用三个类 Subject、Observer 和 Client。Subject 对象带有绑定观察者到 Client 对象和从 Client 对象解绑观察者的方法。我们创建 Subject 类、Observer 抽象类和扩展了抽象类 Observer 的实体类。

ObserverPatternDemo,我们的演示类使用 Subject 和实体类对象来演示观察者模式。

观察者模式的 UML 图

步骤 1 创建 Subject 类。

Subject.java

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
 
public class Subject {
   
   private List<Observer> observers  = new ArrayList<Observer>();
   public void attach(Observer observer){
      observers.add(observer);      
   }

   private int state;
 
   public int getState() {
      return state;
   }
 
   public void setState(int state) {
      this.state = state;
      // 通知所有观察者状态变了 
      notifyAllObservers();
   }
 
   public void notifyAllObservers(){
      for (Observer observer : observers) {
         observer.update();
      }
   }  
}

步骤 2 创建 Observer 类。

Observer.java

public abstract class Observer {
   protected Subject subject;
   public abstract void update();
}

步骤 3 创建实体观察者类。

BinaryObserver.java

public class BinaryObserver extends Observer{
 
   public BinaryObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
      System.out.println( "Binary String: " 
      + Integer.toBinaryString( subject.getState() ) ); 
   }
}

OctalObserver.java

public class OctalObserver extends Observer{
 
   public OctalObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
     System.out.println( "Octal String: " 
     + Integer.toOctalString( subject.getState() ) ); 
   }
}

HexaObserver.java

public class HexaObserver extends Observer{
 
   public HexaObserver(Subject subject){
      this.subject = subject;
      this.subject.attach(this);
   }
 
   @Override
   public void update() {
      System.out.println( "Hex String: " 
      + Integer.toHexString( subject.getState() ).toUpperCase() ); 
   }
}

步骤 4 使用 Subject 和实体观察者对象。

ObserverPatternDemo.java

public class ObserverPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      Subject subject = new Subject();
 
      new HexaObserver(subject);
      new OctalObserver(subject);
      new BinaryObserver(subject);
 
      System.out.println("First state change: 15");   
      subject.setState(15);
      System.out.println("Second state change: 10");  
      subject.setState(10);
   }
}

步骤 5 执行程序,输出结果:

First state change: 15
Hex String: F
Octal String: 17
Binary String: 1111
Second state change: 10
Hex String: A
Octal String: 12
Binary String: 1010

中介者模式

备忘录模式

状态模式

Strategy 策略模式

在策略模式(Strategy Pattern)中,一个类的行为或其算法可以在运行时更改。这种类型的设计模式属于行为型模式。

在策略模式中,我们创建表示各种策略的对象和一个行为随着策略对象改变而改变的 context 对象。策略对象改变 context 对象的执行算法。

介绍

意图:定义一系列的算法,把它们一个个封装起来, 并且使它们可相互替换。

主要解决:在有多种算法相似的情况下,使用 if...else 所带来的复杂和难以维护。

何时使用:一个系统有许多许多类,而区分它们的只是他们直接的行为。

如何解决:将这些算法封装成一个一个的类,任意地替换。

关键代码:实现同一个接口。

应用实例: 1、诸葛亮的锦囊妙计,每一个锦囊就是一个策略。 2、旅行的出游方式,选择骑自行车、坐汽车,每一种旅行方式都是一个策略。 3、JAVA AWT 中的 LayoutManager。

优点: 1、算法可以自由切换。 2、避免使用多重条件判断。 3、扩展性良好。

缺点: 1、策略类会增多。 2、所有策略类都需要对外暴露。

使用场景: 1、如果在一个系统里面有许多类,它们之间的区别仅在于它们的行为,那么使用策略模式可以动态地让一个对象在许多行为中选择一种行为。 2、一个系统需要动态地在几种算法中选择一种。 3、如果一个对象有很多的行为,如果不用恰当的模式,这些行为就只好使用多重的条件选择语句来实现。

注意事项:如果一个系统的策略多于四个,就需要考虑使用混合模式,解决策略类膨胀的问题。

实现

我们将创建一个定义活动的 Strategy 接口和实现了 Strategy 接口的实体策略类。Context 是一个使用了某种策略的类。

StrategyPatternDemo,我们的演示类使用 Context 和策略对象来演示 Context 在它所配置或使用的策略改变时的行为变化。

策略模式的 UML 图

步骤 1 创建一个接口。

Strategy.java

public interface Strategy {
   public int doOperation(int num1, int num2);
}

步骤 2 创建实现接口的实体类。

OperationAdd.java

public class OperationAdd implements Strategy{
   @Override
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 + num2;
   }
}

OperationSubstract.java

public class OperationSubstract implements Strategy{
   @Override
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 - num2;
   }
}

OperationMultiply.java

public class OperationMultiply implements Strategy{
   @Override
   public int doOperation(int num1, int num2) {
      return num1 * num2;
   }
}

步骤 3 创建 Context 类。

Context.java

public class Context {
   private Strategy strategy;
 
   public Context(Strategy strategy){
      this.strategy = strategy;
   }
 
   public int executeStrategy(int num1, int num2){
      return strategy.doOperation(num1, num2);
   }
}

步骤 4 使用 Context 来查看当它改变策略 Strategy 时的行为变化。

StrategyPatternDemo.java

public class StrategyPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      Context context = new Context(new OperationAdd());    
      System.out.println("10 + 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));
 
      context = new Context(new OperationSubstract());      
      System.out.println("10 - 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));
 
      context = new Context(new OperationMultiply());    
      System.out.println("10 * 5 = " + context.executeStrategy(10, 5));
   }
}

步骤 5 执行程序,输出结果:

10 + 5 = 15
10 - 5 = 5
10 * 5 = 50

模板方法模式

空对象模式

访问者模式 (Visitor)

先看一段实例代码:

    /**
     * 递归遍历树
     * @param node 当前树节点
     * @param visitor 游历函数
     */
    fun visitTree(node: TreeVO, visitor: (TreeVO) -> Unit) {
        // 调用游历函数
        visitor(node)

        node.children.forEach {
            visitTree(it, visitor)
        }
    }

访问者模式能把处理方法从数据结构中分离出来,并可以根据需要增加新的处理方法,且不用修改原来的程序代码与数据结构,这提高了程序的扩展性和灵活性。

Visitor 模式的定义与特点

访问者(Visitor)模式的定义:将作用于某种数据结构中的各元素的操作分离出来封装成独立的类,使其在不改变数据结构的前提下可以添加作用于这些元素的新的操作,为数据结构中的每个元素提供多种访问方式。它将对数据的操作与数据结构进行分离,是行为类模式中最复杂的一种模式。

访问者(Visitor)模式是一种对象行为型模式,其主要优点如下。 扩展性好。能够在不修改对象结构中的元素的情况下,为对象结构中的元素添加新的功能。 复用性好。可以通过访问者来定义整个对象结构通用的功能,从而提高系统的复用程度。 灵活性好。访问者模式将数据结构与作用于结构上的操作解耦,使得操作集合可相对自由地演化而不影响系统的数据结构。 符合单一职责原则。访问者模式把相关的行为封装在一起,构成一个访问者,使每一个访问者的功能都比较单一。

访问者(Visitor)模式的主要缺点如下。 增加新的元素类很困难。在访问者模式中,每增加一个新的元素类,都要在每一个具体访问者类中增加相应的具体操作,这违背了“开闭原则”。 破坏封装。访问者模式中具体元素对访问者公布细节,这破坏了对象的封装性。 违反了依赖倒置原则。访问者模式依赖了具体类,而没有依赖抽象类。 模式的结构与实现 访问者(Visitor)模式实现的关键是如何将作用于元素的操作分离出来封装成独立的类,其基本结构与实现方法如下。

模式的结构

访问者模式包含以下主要角色。

  • 抽象访问者(Visitor)角色:定义一个访问具体元素的接口,为每个具体元素类对应一个访问操作 visit() ,该操作中的参数类型标识了被访问的具体元素。 具体访问者(ConcreteVisitor)角色:实现抽象访问者角色中声明的各个访问操作,确定访问者访问一个元素时该做什么。
  • 抽象元素(Element)角色:声明一个包含接受操作 accept() 的接口,被接受的访问者对象作为 accept() 方法的参数。 具体元素(ConcreteElement)角色:实现抽象元素角色提供的 accept() 操作,其方法体通常都是 visitor.visit(this) ,另外具体元素中可能还包含本身业务逻辑的相关操作。
  • 对象结构(Object Structure)角色:是一个包含元素角色的容器,提供让访问者对象遍历容器中的所有元素的方法,通常由 List、Set、Map 等聚合类实现。

模式的应用场景

通常在以下情况可以考虑使用访问者(Visitor)模式。

  1. 对象结构相对稳定,但其操作算法经常变化的程序。
  2. 对象结构中的对象需要提供多种不同且不相关的操作,而且要避免让这些操作的变化影响对象的结构。
  3. 对象结构包含很多类型的对象,希望对这些对象实施一些依赖于其具体类型的操作。

模式的扩展

访问者(Visitor)模式是使用频率较高的一种设计模式,它常常同以下两种设计模式联用。

(1)与“迭代器模式”联用。因为访问者模式中的“对象结构”是一个包含元素角色的容器,当访问者遍历容器中的所有元素时,常常要用迭代器。如【例1】中的对象结构是用 List 实现的,它通过 List 对象的 Itemtor() 方法获取迭代器。如果对象结构中的聚合类没有提供迭代器,也可以用迭代器模式自定义一个。

(2)访问者(Visitor)模式同“组合模式”联用。因为访问者(Visitor)模式中的“元素对象”可能是叶子对象或者是容器对象,如果元素对象包含容器对象,就必须用到组合模式,其结构图如图所示

包含组合模式的访问者模式的结构图

结构型模式

适配器模式

代理模式

装饰器模式

桥接模式

组合模式

Facade 外观模式

外观模式(Facade Pattern)隐藏系统的复杂性,并向客户端提供了一个客户端可以访问系统的接口。这种类型的设计模式属于结构型模式,它向现有的系统添加一个接口,来隐藏系统的复杂性。

这种模式涉及到一个单一的类,该类提供了客户端请求的简化方法和对现有系统类方法的委托调用。

Facade 介绍

意图: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。

主要解决:降低访问复杂系统的内部子系统时的复杂度,简化客户端与之的接口。

何时使用: 1、客户端不需要知道系统内部的复杂联系,整个系统只需提供一个"接待员"即可。 2、定义系统的入口。

如何解决:客户端不与系统耦合,外观类与系统耦合。

关键代码:在客户端和复杂系统之间再加一层,这一层将调用顺序、依赖关系等处理好。

应用实例: 1、去医院看病,可能要去挂号、门诊、划价、取药,让患者或患者家属觉得很复杂,如果有提供接待人员,只让接待人员来处理,就很方便。 2、JAVA 的三层开发模式。

优点: 1、减少系统相互依赖。 2、提高灵活性。 3、提高了安全性。

缺点:不符合开闭原则,如果要改东西很麻烦,继承重写都不合适。

使用场景: 1、为复杂的模块或子系统提供外界访问的模块。 2、子系统相对独立。 3、预防低水平人员带来的风险。

注意事项:在层次化结构中,可以使用外观模式定义系统中每一层的入口。

Facade 实现

我们将创建一个 Shape 接口和实现了 Shape 接口的实体类。下一步是定义一个外观类 ShapeMaker

ShapeMaker 类使用实体类来代表用户对这些类的调用。FacadePatternDemo,我们的演示类使用 ShapeMaker 类来显示结果。

外观模式的 UML 图

步骤 1

创建一个接口。

Shape.java

public  interface  Shape  {
  void  draw(); 
}

步骤 2

创建实现接口的实体类。

// Rectangle.java
public class Rectangle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Rectangle::draw()");
   }
}
// Square.java
public class Square implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Square::draw()");
   }
}
// Circle.java
public class Circle implements Shape {
 
   @Override
   public void draw() {
      System.out.println("Circle::draw()");
   }
}

步骤 3

创建一个外观类。

ShapeMaker.java

public class ShapeMaker {
   private Shape circle;
   private Shape rectangle;
   private Shape square;
 
   public ShapeMaker() {
      circle = new Circle();
      rectangle = new Rectangle();
      square = new Square();
   }
 
   public void drawCircle(){
      circle.draw();
   }
   public void drawRectangle(){
      rectangle.draw();
   }
   public void drawSquare(){
      square.draw();
   }
}

步骤 4

使用该外观类画出各种类型的形状。

FacadePatternDemo.java

public class FacadePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      ShapeMaker shapeMaker = new ShapeMaker();
 
      shapeMaker.drawCircle();
      shapeMaker.drawRectangle();
      shapeMaker.drawSquare();      
   }
}

步骤 5

执行程序,输出结果:

Circle::draw()
Rectangle::draw()
Square::draw()

享元模式

函数式编程与设计模式

函数式编程简介

Lambda 表达式

高阶函数

Kotlin 中的函数式编程

重新实现面向对象设计模式

  • 单例模式
  • 建造者模式
  • 适配器模式
  • 装饰器模式
  • 责任链模式
  • 命令模式
  • 解释器模式
  • 迭代器模式
  • 观察者模式
  • 策略模式
  • 模板方法模式

函数式设计模式

  • MapReduce

响应式编程与设计模式

什么是响应式编程

RxKotlin

创建 Observable

转换 Observable

过滤 Observable

组合 Observable

异常处理

线程调度器

Subject

软件架构

认识架构

分层架构

MVC 架构

SOA 架构

微服务架构

Serverless 架构

Faas


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