设计模式——设计模式简介、分类及面向对象设计原则

Gnep@97

发布于 2023-08-10 09:33:32

2090

发布于 2023-08-10 09:33:32

文章被收录于专栏：Gnep's_Technology_Blog

前言

不希望学习设计模式的小伙伴最终掌握的是一堆的代码和技巧，其实那些不重要，重要的是建立了一套思维方式和模型。
23 种设计模式中有些模式今天已经不流行了，有些模型已经被语言机制替代了，有些模式你可能常常会忘记，但这些都不重要，重要的是设计原则，因为有了这些设计原则，你有可能发明自己的模式，你也可以理解未来千千万万其他领域的模式。
有很多朋友有一种错误观点就是把学习模式当做算法来学习，这是不对的，所有的设计模式都是依赖下面讲的面向对象设计原则推导出来的，如果它违背了设计原则，那么这个模式就是错误的。

一、什么是设计模式

“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”。

总之，设计模式就是为了解决某类重复出现的问题而出现的一套成功或有效的解决方案

1、从面向对象谈起

①、底层思维：向下，如何把握机器底层从微观理解对象构造

语言构造
编译转换
内存模型
运行时机制

②、抽象思维：向上，如何将我们的周围世界抽象为程序代码

面向对象
组件封装
设计模式
架构模式

2、深入理解面向对象

①、向下：深入理解三大面向对象机制

封装，隐藏内部实现
继承，复用现有代码
多态，改写对象行为

②、向上：深刻把握面向对象机制所带来的抽象意义，理解如何使用这些机制来表达现实世界，掌握什么是“好的面向对象设计”

3、软件设计固有的复杂性

建筑商从来不会去想给一栋已建好的100层高的楼房底下再新修一个小地下室——这样做花费极大而且注定要失败。然而令人惊奇的是，软件系统的用户在要求作出类似改变时却不会仔细考虑，而且他们认为这只是需要简单编程的事。

4、软件设计复杂的根本原因——“变化”

客户需求的变化
技术平台的变化
开发团队的变化
市场环境的变化

5、如何解决复杂性？

分解
- 人们面对复杂性有一个常见的做法：即分而治之，将大问题分解为多个小问题，将复杂问题分解为多个简单问题。
抽象
- 更高层次来讲，人们处理复杂性有一个通用的技术，即抽象。由于不能掌握全部的复杂对象，我们选择忽视它的非本质细节，而去处理泛化和理想化了的对象模型。

6、软件设计的目标

什么是好的软件设计？软件设计的金科玉律：复用！

二、常用设计模式及分类

1、常用的七种设计模式

单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、代理模式、装饰器模式、观察者模式和责任链模式。

2、设计模式分类

设计模式根据工作的目的，分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三类。

创建型模式：单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、创建者模式、原型模式。

结构型模式：适配器模式、代理模式、装饰器模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

三、面向对象设计原则

1、面向对象设计，为什么？

变化是复用的天敌！面向对象设计最大的优势在于：抵御变化！

2、重新认识面向对象

理解隔离变化
- 从宏观层面来看，面向对象的构建方式更能适应软件的变化，能将变化所带来的影响减为最小
各司其职
- 从微观层面来看，面向对象的方式更强调各个类的“责任”
- 由于需求变化导致的新增类型不应该影响原来类型的实现——是所谓各负其责
对象是什么？
- 从语言实现层面来看，对象封装了代码和数据
- 从规格层面讲，对象是一系列可被使用的公共接口
- 从概念层面讲，对象是某种拥有责任的抽象

3、面向对象设计原则

①、依赖倒置原则（DIP）
- 高层模块(稳定)不应该依赖于低层模块(变化)，二者都应该依赖于抽象(稳定)
- 抽象(稳定)不应该依赖于实现细节(变化) ，实现细节应该依赖于抽象(稳定)
②、开放封闭原则（OCP）
- 对扩展开放，对更改封闭
- 类模块应该是可扩展的，但是不可修改
③、单一职责原则（SRP）
- 一个类应该仅有一个引起它变化的原因
- 变化的方向隐含着类的责任
④、Liskov 替换原则（LSP）
- 子类必须能够替换它们的基类(IS-A)
- 继承表达类型抽象
⑤、接口隔离原则（ISP）
- 不应该强迫客户程序依赖它们不用的方法
- 接口应该小而完备
⑥、优先使用对象组合，而不是类继承
- 类继承通常为“白箱复用”，对象组合通常为“黑箱复用”
- 继承在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高
- 而对象组合则只要求被组合的对象具有良好定义的接口，耦合度低
⑦、封装变化点
- 使用封装来创建对象之间的分界层，让设计者可以在分界层的一侧进行修改，而不会对另一侧产生不良的影响，从而实现层次间的松耦合
⑧、针对接口编程，而不是针对实现编程
- 不将变量类型声明为某个特定的具体类，而是声明为某个接口
- 客户程序无需获知对象的具体类型，只需要知道对象所具有的接口
- 减少系统中各部分的依赖关系，从而实现“高内聚、松耦合”的类型设计方案

4、面向接口设计

产业强盛的标志：接口标准化！

四、C++ 源码分析

注：以下所列代码均为伪代码，没有按照 C++ 标准编码，很多具体细节都省略了，例如字段作为实现细节应声名为 private，我们这里声明为了 public，通过 new 申请的内存没有 delete 释放，只为讲解区别

下面是在 ui 界面画点、线及矩形的伪代码，基于当前的代码，又新增了画圆的功能。

1、分解思维伪代码

MainForm1.cpp

class MainForm : public Form {
private:
	Point p1;
	Point p2;

	vector<Line> lineVector;
	vector<Rect> rectVector;
	//改变！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
	vector<Circle> circleVector;

public:
	MainForm(){
		//...
	}
protected:
	virtual void OnMouseDown(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnMouseUp(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnPaint(const PaintEventArgs& e);
};

void MainForm::OnMouseDown(const MouseEventArgs& e){
	p1.x = e.X;
	p1.y = e.Y;

	//...
	Form::OnMouseDown(e);
}

void MainForm::OnMouseUp(const MouseEventArgs& e){
	p2.x = e.X;
	p2.y = e.Y;

	if (rdoLine.Checked){
		Line line(p1, p2);
		lineVector.push_back(line);
	}
	else if (rdoRect.Checked){
		int width = abs(p2.x - p1.x);
		int height = abs(p2.y - p1.y);
		Rect rect(p1, width, height);
		rectVector.push_back(rect);
	}
	//改变！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
	else if (...){
		//...
		circleVector.push_back(circle);
	}

	//...
	this->Refresh();

	Form::OnMouseUp(e);
}

void MainForm::OnPaint(const PaintEventArgs& e){
	//针对直线
	for (int i = 0; i < lineVector.size(); i++){
		e.Graphics.DrawLine(Pens.Red,
			lineVector[i].start.x, 
			lineVector[i].start.y,
			lineVector[i].end.x,
			lineVector[i].end.y);
	}

	//针对矩形
	for (int i = 0; i < rectVector.size(); i++){
		e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Red,
			rectVector[i].leftUp,
			rectVector[i].width,
			rectVector[i].height);
	}

	//改变！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
	//针对圆形
	for (int i = 0; i < circleVector.size(); i++){
		e.Graphics.DrawCircle(Pens.Red,
			circleVector[i]);
	}

	//...
	Form::OnPaint(e);
}

Shape1.h

class Point{
public:
	int x;
	int y;
};

class Line{
public:
	Point start;
    Point end;

	Line(const Point& start, const Point& end){
        this->start = start;
        this->end = end;
    }
};

class Rect{
public:
	Point leftUp;
    int width;
	int height;

	Rect(const Point& leftUp, int width, int height){
        this->leftUp = leftUp;
        this->width = width;
		this->height = height;
    }
};

//增加！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
class Circle{
	...
};

2、抽象思维伪代码

MainForm2.cpp

class MainForm : public Form {
private:
	Point p1;
	Point p2;

	//针对所有形状
	vector<Shape*> shapeVector;

public:
	MainForm(){
		//...
	}
protected:
	virtual void OnMouseDown(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnMouseUp(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnPaint(const PaintEventArgs& e);
};

void MainForm::OnMouseDown(const MouseEventArgs& e){
	p1.x = e.X;
	p1.y = e.Y;

	//...
	Form::OnMouseDown(e);
}

void MainForm::OnMouseUp(const MouseEventArgs& e){
	p2.x = e.X;
	p2.y = e.Y;

	if (rdoLine.Checked){
		shapeVector.push_back(new Line(p1,p2));
	}
	else if (rdoRect.Checked){
		int width = abs(p2.x - p1.x);
		int height = abs(p2.y - p1.y);
		shapeVector.push_back(new Rect(p1, width, height));
	}
	//改变（如果使用工厂模式这里也不需要改变）！！！！！！！！！！！！！！！
	else if (...){
		//...
		shapeVector.push_back(circle);
	}

	//...
	this->Refresh();

	Form::OnMouseUp(e);
}

void MainForm::OnPaint(const PaintEventArgs& e){
	//针对所有形状
	for (int i = 0; i < shapeVector.size(); i++){

		shapeVector[i]->Draw(e.Graphics); //多态调用，各负其责
	}

	//...
	Form::OnPaint(e);
}

Shape2.h

class Shape{
public:
	virtual void Draw(const Graphics& g)=0;
	virtual ~Shape() { }
};

class Point{
public:
	int x;
	int y;
};

class Line: public Shape{
public:
	Point start;
	Point end;

	Line(const Point& start, const Point& end){
		this->start = start;
		this->end = end;
	}

	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawLine(Pens.Red, 
			start.x, start.y,end.x, end.y);
	}
};

class Rect: public Shape{
public:
	Point leftUp;
	int width;
	int height;

	Rect(const Point& leftUp, int width, int height){
		this->leftUp = leftUp;
		this->width = width;
		this->height = height;
	}

	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawRectangle(Pens.Red,
			leftUp,width,height);
	}
};

//增加！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！
class Circle : public Shape{
public:
	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawCircle(Pens.Red,
			...);
	}
};

代码中注释了“改变/增加”的是有新需求的情况设计到要修改的代码。

分解的做法不容易复用
抽象的设计方法的代码复用非常高，能够使用通用的方法统一处理

3、对比两种思维

①、分解思维

②、抽象思维

比较上面两种思维可以得出，针对新增画圆的功能来说，分解思维需要修改很多处，抽象思维需要修改的代码更少，抽象思维相比于分解思维更简单且代码可维护性更强，代码更具有健壮性。

五、GOF-23 模式分类

从目的来看
- 创建型（Creational）模式：将对象的部分创建工作延迟到子类或者其他对象，从而应对需求变化为对象创建时具体类型实现引来的冲击。
- 结构型（Structural）模式：通过类继承或者对象组合获得更灵活的结构，从而应对需求变化为对象的结构带来的冲击。
- 行为型（Behavioral）模式：通过类继承或者对象组合来划分类与对象间的职责，从而应对需求变化为多个交互的对象带来的冲击。
从范围来看：
- 类模式处理类与子类的静态关系。
- 对象模式处理对象间的动态关系。

从封装变化角度对模式分类

组件协作：
- Template Method
- Observer / Event
- Strategy
单一职责：
- Decorator
- Bridge
对象创建:
- Factory Method
- Abstract Factory
- Prototype
- Builder
对象性能：
- Singleton
- Flyweight
接口隔离:
- Façade
- Proxy
- Mediator
- Adapter
状态变化：
- Memento
- State
数据结构：
- Composite
- Iterator
- Chain of Resposibility
行为变化：
- Command
- Visitor
领域问题：
- Interpreter

六、重构获得模式 Refactoring to Patterns

面向对象设计模式是 “好的面向对象设计” ，所谓 “好的面向对象设计” 指是那些可以满足 “应对变化，提高复用” 的设计。
现代软件设计的特征是 “需求的频繁变化” 。设计模式的要点是 “寻找变化点，然后在变化点处应用设计模式，从而来更好地应对需求的变化” ，“什么时候、什么地点应用设计模式” 比 “理解设计模式结构本身” 更为重要。
设计模式的应用不宜先入为主，一上来就使用设计模式是对设计模式的最大误用。没有一步到位的设计模式。敏捷软件开发实践提倡的 “Refactoring to Patterns” 是目前普遍公认的最好的使用设计模式的方法。