设计模式学习心得之前置知识 UML图看法与六大原则

Qiuner

发布于 2024-07-19 15:55:39

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发布于 2024-07-19 15:55:39

文章被收录于专栏：杂烩

本笔记基于黑马程序员 https://www.bilibili.com/video/BV1Np4y1z7BU/ 加了不少个人感悟，方便您理解设计模式
如果对您有帮助的话不妨点个赞吧，我会很高兴的 😊

UML图

统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是用来设计软件的可视化建模语言。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。

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。

类图如何看

有三个属性 name为公共类型是string、age为受保护类型是int 默认值为18、sexNumber 为私有类型是int
有两个私有方法，方法eat 有两个参数返回值是void，方法sleep 有一个参数返回值是void

属性/方法名称前加的加号和减号表示了这个属性/方法的可见性，UML类图中表示可见性的符号有三种：

+：表示public
-：表示private
#：表示protected

属性的完整表示方式是： 可见性名称：类型 [ = 缺省值]

方法的完整表示方式是： 可见性名称(参数列表) [ ：返回类型]

注意： 1，中括号中的内容表示是可选的

类图关系表示

关联关系

关联关系指的是类与类之间的关系，有三种。分别为单向关联，双向关联，自关联。

1，单向关联

在UML类图中单向关联用一个带箭头的实线表示。上图表示每个顾客都有一个地址，这通过让Customer类持有一个类型为Address的成员变量类实现。

单向关联是一种弱依赖关系，通常表示一个对象知道另一个对象的存在，但被引用的对象并不知道哪些对象引用了它。
在单向关联中，一个类（或对象）可以引用另一个类（或对象），但被引用的类（或对象）不引用回来。这种关系常常体现在类之间的成员变量或方法参数中。
生命周期管理方面，被引用的对象不受引用它的对象的影响。即使引用它的对象被销毁，被引用的对象仍然可以存在。

2，双向关联

从上图中我们很容易看出，所谓的双向关联就是双方各自持有对方类型的成员变量。

在UML类图中，双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个List<Product>，表示一个顾客可以购买多个商品；在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被哪个顾客所购买。

3，自关联

自关联在UML类图中用一个带有箭头且指向自身的线表示。上图的意思就是Node类包含类型为Node的成员变量，也就是“自己包含自己”。

聚合关系

聚合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。

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：

聚合关系表示的是一种强关联，它表示整体与部分之间的关系。在聚合关系中，整体对象拥有部分对象，但部分对象不是整体对象的一部分。

总结单项关联、与聚合关系

单向关联是一种较为弱的关系，通常用于表示简单的引用关系；而聚合关系是一种更强的关系，用于表示整体与部分之间的包含关系，聚合关系的依赖是双向的。

单项、聚合关联是手拿工具，组合是工具长你身上
目前看来单项是拿只能解决某个的工具，和聚合是拿通用的工具

组合关系

组合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。

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：

依赖关系

依赖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。下图所示是司机和汽车的关系图，司机驾驶汽车：

car和driver是依赖关系，driver运行要用car

继承关系（泛化关系）

继承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。

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，其类图如下图所示：

实现关系

实现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

软件设计原则

我的项目结构

开闭原则

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。

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

下面以 搜狗输入法 的皮肤为例介绍开闭原则的应用。

【例】搜狗输入法 的皮肤设计。

分析：搜狗输入法 的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin）是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码，所以它是满足开闭原则的。

感悟与代码

这里SouGouInput的关系线画错了应该是聚合关系
开闭原则的关键是继承关系、组合关系
开闭原则就类似汽车换轮子可以换不同厂家的一个型号的轮子。将具体的轮子交给别人来换，装轮子的铁圈却不会改变

package com.priniciples.openingAndClosing;

public abstract class AbstractSkin {
    /**
     *默认皮肤类
     */
    public void display() {
    }
}

package com.priniciples.openingAndClosing;


// 这个是和AbstractSkin是聚合关系
//
public class SougouInput {
    private  AbstractSkin skin;

    public void setSkin(AbstractSkin skin){
        this.skin=skin;
    }

    public void display() {
        skin.display();
    }
}

客户端

package com.priniciples.openingAndClosing;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        // 搜狗输入发对象
        SougouInput input = new SougouInput();
        // 用户1的皮肤对象
        User1Skin user1Skin = new User1Skin();
        // 用户2的皮肤对象
        User2Skin user2Skin = new User2Skin();

    //    当我们要显示使用皮肤的时候，只要调用搜狗输入法对象的方法
    //    使用用户一的输入法对象
        input.setSkin(user1Skin);
        //显示用户一皮肤
        input.display();

        System.out.printf("接下来是用户2的皮肤\n");
    //     显示用户2的皮肤
        input.setSkin(user2Skin);
        input.display();

    }
}

具体的橡胶轮子

package com.priniciples.openingAndClosing;

// 用户一的皮肤
public class User1Skin  extends  AbstractSkin{
    public void display(){
        System.out.printf("我是用户1的皮肤\n");
    }
}

package com.priniciples.openingAndClosing;

// 用户2的皮肤
public class User2Skin extends  AbstractSkin{
    public void display(){
        System.out.printf("我是用户2的皮肤\n");
    }
}

里氏代换原则

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：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。

如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子

【例】正方形不是长方形。

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

代码如下：

长方形类（Rectangle）：

public class Rectangle {
    private double length;
    private double width;

    public double getLength() {
        return length;
    }

    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }

    public double getWidth() {
        return width;
    }

    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

正方形（Square）：

由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值。

public class Square extends Rectangle {
    
    public void setWidth(double width) {
        super.setLength(width);
        super.setWidth(width);
    }

    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }
}

类RectangleDemo是我们的软件系统中的一个组件，它有一个resize方法依赖基类Rectangle，resize方法是RectandleDemo类中的一个方法，用来实现宽度逐渐增长的效果。

public class RectangleDemo {
    
    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }

    //打印长方形的长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }

    public static void main(String[] args) {
        Rectangle rectangle = new Rectangle();
        rectangle.setLength(20);
        rectangle.setWidth(10);
        resize(rectangle);
        printLengthAndWidth(rectangle);

        System.out.println("============");

        Rectangle rectangle1 = new Square();
        rectangle1.setLength(10);
        resize(rectangle1);
        printLengthAndWidth(rectangle1);
    }
}

我们运行一下这段代码就会发现，假如我们把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度,代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；假如我们再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

如何改进呢？此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)，让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口

感悟与代码

package com.priniciples.richterSubstitution.after;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public interface Quadrilateral {
    // 获取长
    double getLength();
    // 获取宽
    double getWidth();
}

这里将四边形作为长方形和正方形的父类
上面将长方形作为正方形的父类其核心是认为正方形是短边长方形
这里实现的关键就是正方形的getLength、getWidth都是返回side，虽然正方形宽高都是side，但是为了满足里氏原则的子类可以无感替换父类，因此如此
这个例子不如开闭原则一样直观，核心就是子类保留父类功能下进行自身功能扩展
里氏原则是实现关系，但这个原则重点不是几种关系组合

依赖倒转原则

高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

下面看一个例子来理解依赖倒转原则

【例】组装电脑

现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条。只有这些配置都有了，计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择，如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，海盗船等。

类图如下：

代码如下：

希捷硬盘类（XiJieHardDisk）:

public class XiJieHardDisk  {

    public void save(String data) {
        System.out.println("使用希捷硬盘存储数据" + data);
    }

    public String get() {
        System.out.println("使用希捷希捷硬盘取数据");
        return "数据";
    }
}

Intel处理器（IntelCpu）：

public class IntelCpu {

    public void run() {
        System.out.println("使用Intel处理器");
    }
}

金士顿内存条（KingstonMemory）：

public class KingstonMemory  {

    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿作为内存条");
    }
}

电脑（Computer）：

public class Computer {

    private XiJieHardDisk hardDisk;
    private IntelCpu cpu;
    private KingstonMemory memory;

    public IntelCpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(IntelCpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public KingstonMemory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(KingstonMemory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public XiJieHardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(XiJieHardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public void run() {
        System.out.println("计算机工作");
        cpu.run();
        memory.save();
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘中获取的数据为：" + data);
    }
}

测试类（TestComputer）：

测试类用来组装电脑。

public class TestComputer {
    public static void main(String[] args) {
        Computer computer = new Computer();
        computer.setHardDisk(new XiJieHardDisk());
        computer.setCpu(new IntelCpu());
        computer.setMemory(new KingstonMemory());

        computer.run();
    }
}

上面代码可以看到已经组装了一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进：

代码我们只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类。

类图如下：

电脑（Computer）：

public class Computer {

    private HardDisk hardDisk;
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public HardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public Cpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(Cpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public Memory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(Memory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public void run() {
        System.out.println("计算机工作");
    }
}

面向对象的开发很好的解决了这个问题，一般情况下抽象的变化概率很小，让用户程序依赖于抽象，实现的细节也依赖于抽象。即使实现细节不断变动，只要抽象不变，客户程序就不需要变化。这大大降低了客户程序与实现细节的耦合度。

感悟与代码

其实这本身很符合多态

package com.priniciples.DependencyInversion.after;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public class ComputerDome {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建计算机对象
        Computer computer = new Computer();
        // HardDisk hardDisk = new XiJieHardDisk();
        //组装电脑 我这里是使用强制转换 因为 也可像上面这样向上转型创建对象
        computer.setHardDisk((HardDisk) new XiJieHardDisk());
        computer.setCpu((Cpu) new IntelCpu());
        computer.setMemory((Memory) new KingstonMemory());

        computer.run();
    }
}

package com.priniciples.DependencyInversion.after;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public interface Cpu {
    public void run();
}

package com.priniciples.DependencyInversion.after;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public interface HardDisk {
    public void save(String data);
    public String get();

}
package com.priniciples.DependencyInversion.after;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public interface Memory {
    public void save();

}

在这个例子中高层模块是计算机是由多个部件组装而成的，底层模块是具体的厂家的东西，他们之间不相互链接，而是使用接口连接起来，高层模块使用的是cpu这个概念，而不是具体的实例，底层模块是对cpu这个概念的具体实现
开闭原则关注于如何设计软件实体使其在不修改现有代码的情况下进行扩展，而依赖倒置原则关注于如何设计模块之间的依赖关系，使得高层模块不依赖于低层模块的具体实现细节
依赖倒转主要靠继承、实现关系来实现，很经典的面向接口编程

接口隔离原则

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

下面看一个例子来理解接口隔离原则

【例】安全门案例

我们需要创建一个黑马品牌的安全门，该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火，防水，防盗功能提取成一个接口，形成一套规范。类图如下：

上面的设计我们发现了它存在的问题，黑马品牌的安全门具有防盗，防水，防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门，而该安全门只具有防盗、防水功能呢？很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则，那么我们如何进行修改呢？看如下类图：

代码如下：

AntiTheft（接口）：

public interface AntiTheft {
    void antiTheft();
}

Fireproof（接口）：

public interface Fireproof {
    void fireproof();
}

Waterproof（接口）：

public interface Waterproof {
    void waterproof();
}

HeiMaSafetyDoor（类）：

public class HeiMaSafetyDoor implements AntiTheft,Fireproof,Waterproof {
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }

    public void fireproof() {
        System.out.println("防火");
    }


    public void waterproof() {
        System.out.println("防水");
    }
}

ItcastSafetyDoor（类）：

public class ItcastSafetyDoor implements AntiTheft,Fireproof {
    public void antiTheft() {
        System.out.println("防盗");
    }

    public void fireproof() {
        System.out.println("防火");
    }
}

感悟与代码

没什么好说的这个，就是一个接口只有一个功能，防止要一个香蕉却出现一片香蕉林的情况
主要是实现关系

迪米特法则

迪米特法则又叫最少知识原则。

只和你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话（Talk only to your immediate friends and not to strangers）。

其含义是：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。

迪米特法则中的“朋友”是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。

下面看一个例子来理解迪米特法则

【例】明星与经纪人的关系实例

明星由于全身心投入艺术，所以许多日常事务由经纪人负责处理，如和粉丝的见面会，和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则。

类图如下：

代码如下：

明星类（Star）

public class Star {
    private String name;

    public Star(String name) {
        this.name=name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

粉丝类（Fans）

public class Fans {
    private String name;

    public Fans(String name) {
        this.name=name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

媒体公司类（Company）

public class Company {
    private String name;

    public Company(String name) {
        this.name=name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

经纪人类（Agent）

public class Agent {
    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;

    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }

    public void setFans(Fans fans) {
        this.fans = fans;
    }

    public void setCompany(Company company) {
        this.company = company;
    }

    public void meeting() {
        System.out.println(fans.getName() + "与明星" + star.getName() + "见面了。");
    }

    public void business() {
        System.out.println(company.getName() + "与明星" + star.getName() + "洽淡业务。");
    }
}

感悟与代码

请先自己实现复制粘贴下代码，然后再看我写的见解

package com.priniciples.LawOfDemeter;

/**
 * @Description
 * @Author Qiu
 * @Date 2024/4/19
 */
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Agent agent=new Agent();
        Fans fans = new Fans("粉丝一");
        Star star = new Star("Qiu");
        Company company=new Company("公司1");

        // 由经纪人 也就是Agent方法来链接 粉丝公司明星
        agent.setFans(fans);
        agent.setStar(star);
        agent.setCompany(company);

        agent.meeting();//和粉丝见面
        agent.business();//和媒体公司洽谈业务
    }
}