设计模式奇才：掌握创建型设计模式的核心技巧

原创

Lion Long

发布于 2024-10-15 22:00:12

770

发布于 2024-10-15 22:00:12

文章被收录于专栏：后端开发技术

一、前言

设计模式的出现是为了解决软件开发中的一些常见问题，帮助开发人员更高效地编写可维护和可扩展的代码。通过使用设计模式，开发人员可以借鉴先前的成功经验，避免重复发明轮子，同时提高代码的可读性和可理解性。

设计模式的目标是提供经过验证和经过时间考验的解决方案，以解决特定情境中的常见问题。设计模式不是一种具体的算法或代码片段，而是一种在特定情境下的解决方案模板。它们可以应用于各种编程语言和开发环境中。

设计模式通常分为三种类型：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

创建型模式关注对象的创建机制；
结构型模式关注对象之间的关系和组织方式；
行为型模式关注对象之间的交互和通信。

二、模板方法模式

2.1、定义

定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。Template Method使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。

从定义中可以分析出该设计模式解决的问题。（1）稳定点：算法架构。（2）变化点：子流程需要变化。举个例子：某个品牌动物园，有一套固定的表演流程，但是其中有若干个表演子流程可创新替换，以尝试迭代更新表演流程。

2.2、代码结构

（1）基类中有骨架流程接口。（2）所有子流程对子类开放并且是虚函数。（3）多态的使用方式。通过以上三点可以肯定是模板方法模式。

如果代码没有设计模式，也要符合设计原则。目的是：（1）设计模式是由设计原则演变来的；（2）符合设计原则的代码，只需要修改少量代码就能够演变成设计模式。

#include <iostream>
using namespace std;

class ZooShow {
public:
    ZooShow(int type = 1) : _type(type) {}

public:
    void Show() {
        if (Show0())
            PlayGame();
        Show1();
        Show2();
        Show3();
    }

private:
    void PlayGame() {
        cout << "after Show0, then play game" << endl;
    }

    bool Show0() {
        if (_type == 1) {
            // 
            return true;
        } else if (_type == 2 ) {
            //  ...
        } else if (_type == 3) {

        }
        cout << _type << " show0" << endl;
        return true;
    }

    void Show1() {
        if (_type == 1) {
            cout << _type << " Show1.1" << endl;
        } else if (_type == 2) {
            cout << _type << " Show1.2" << endl;
        } else if (_type == 3) {

        }
        cout << _type << " Show1" << endl;
    }

    void Show2() {
        if (_type == 20) {
            
        }
        cout << "base Show2" << endl;
    }

    void Show3() {
        if (_type == 1) {
            cout << _type << " Show3.1" << endl;
        } else if (_type == 2) {
            cout << _type << " Show3.2" << endl;
        }
        cout << _type << " Show3" << endl;
    }
private:
    int _type;
};
int main () {
    ZooShow *zs = new ZooShow(1);
    zs->Show();
    return 0;
}

以上代码满足的设计原则：（1）接口隔离原则。类封装的时候使用权限限定词（统一或固定的流程用public，子流程使用private限定使用户不能单独的调用子流程）；类与类依赖通过接口实现（依赖注入）。（2）最少知道原则。用户只能看到show()，其他的子流程不可见。

以上代码破坏了哪些设计原则：（1）单一职责原则。稳定点是show()，子流程是变化点；迭代通过_type指定，随着迭代次数的增加，代码不断膨胀，当要知道某次迭代由哪些流程构成时极为困难。这些接口中有多个变化方向（随_type变化），所以不满足单一职责原则。（2）开闭原则。接口中有很多的if判断，每次迭代更新版本都修改了类，说明类不稳定。因此，符合设计模式的代码如下：

#include <iostream>
using namespace std;

// 开闭
class ZooShow {
public:
    void Show() {
        // 如果子表演流程没有超时的话，进行一个中场游戏环节；如果超时，直接进入下一个子表演流程
        if (Show0())
            PlayGame();
        Show1();
        Show2();
        Show3();
    }
    
private:
    void PlayGame() {
        cout << "after Show0, then play game" << endl;
    }
    bool expired;
    // 对其他用户关闭，但是子类开放的
protected:
    virtual bool Show0() {
        cout << "show0" << endl;
        if (! expired) {
            return true;
        }
        return false;
    }
    virtual void Show2() {
        cout << "show2" << endl;
    }
    virtual void Show1() {

    }
    virtual void Show3() {

    }
};

// 框架
// 模板方法模式
class ZooShowEx10 : public ZooShow {
protected:
    virtual void Show0() {
        if (! expired) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}

class ZooShowEx1 : public ZooShow {
protected:
    virtual bool Show0() {
        cout << "ZooShowEx1 show0" << endl;
        if (! expired) { // 里氏替换
            return true;
        }
        return false;
    }
    virtual void Show2(){
        cout << "show3" << endl;
    }
};

class ZooShowEx2 : public ZooShow {
protected:
    virtual void Show1(){
        cout << "show1" << endl;
    }
    virtual void Show2(){
        cout << "show3" << endl;
    }
};

class ZooShowEx3 : public ZooShow {
protected:
    virtual void Show1(){
        cout << "show1" << endl;
    }
    virtual void Show3(){
        cout << "show3" << endl;
    }
    virtual void Show4() {
        //
    }
};
/*
*/
int main () {
    ZooShow *zs = new ZooShowEx10; // 晚绑定
    // ZooShow *zs1 = new ZooShowEx1;
    // ZooShow *zs2 = new ZooShowEx2;
    zs->Show();
    return 0;
}

（1）子流程可以被子类反问和修改，使用virtual关键字子流程，修改限定词为protected:使子类可以修改而用户不能访问。（2）子类不能修改主流程，只能修改子流程。（3）因此，每次迭代更新都没有修改主类的代码，子类通过重写虚函数来更新子流程。（4）满足里氏替换原则。show0()有一个隐含职责，如果没有超时expired则需要进入PlayGame()，即示例代码中的返回true和false的选择。

virtual void Show0() {
        if (! expired) {
            return true;
        }
        return false;
    }

2.3、符合的设计原则

（1）单一职责。（2）开闭原则。不能改变基类代码，只能虚函数重写。（3）依赖倒置。所有子类的接口都要依赖虚函数实现。即实现依赖接口，子类扩展时需要依赖基类的虚函数实现，使用者只依赖接口。（4）封装变化点。通过protected限定符限制住变化的地方，暴露给子类去扩展。（5）接口隔离。（6）最小知道原则。用户不需要知道对它没有用的接口。

2.4、扩展

实现子类继承基类，重写子流程。通过多态调用方式使用。

// 模板方法模式
class ZooShowEx10 : public ZooShow {
protected:
    virtual void Show0() {
        if (! expired) {
            return true;
        }
        return false;
    }
}
// 调用
int main () {
    ZooShow *zs = new ZooShowEx10; // 晚绑定
    // ZooShow *zs1 = new ZooShowEx1;
    // ZooShow *zs2 = new ZooShowEx2;
    zs->Show();
    return 0;
}

2.5、经典应用场景

模板方法是很常用的设计模式，基本所有使用设计模式的项目都会用得到。

2.6、要点

（1）最常用的设计模式，子类可以复写父类子流程，使父类的骨架流程丰富；（2）反向控制流程的典型应用；（3）父类 protected 保护子类需要复写的子流程；这样子类的子流程只能父类来调用。

2.7、本质

通过固定算法骨架来约束子类的行为。

三、观察者模式

3.1、定义

定义对象间的一种一对多（变化）的依赖关系，以便当一个对象(Subject)的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新。

3.2、解决的问题

（1）稳定点：“一”对“多”（变化）的依赖关系，“一”变化“多”跟着变化。（2）变化点：“多”增加，“多”减少。

3.3、代码结构

举个例子：气象站发布气象资料给数据中心，数据中心经过处理，将气象信息更新到两个不同的显示终端（A 和B等等）。

class DisplayA {
public:
    void Show(float temperature);
};

class DisplayB {
public:
    void Show(float temperature);
};

class DisplayC {
public:
    void Show(float temperature);
}

class WeatherData {
};

class DataCenter {
public:
    void TempNotify() {
        DisplayA *da = new DisplayA;
        DisplayB *db = new DisplayB;
        DisplayC *dc = new DisplayC;
        // DisplayD *dd = new DisplayD;
        float temper = this->CalcTemperature();
        da->Show(temper);
        db->Show(temper);
        dc->Show(temper);
        dc->Show(temper);
    }
private:
    float CalcTemperature() {
        WeatherData * data = GetWeatherData();
        // ...
        float temper/* = */;
        return temper;
    }
    WeatherData * GetWeatherData(); // 不同的方式
};

int main() {
    DataCenter *center = new DataCenter;
    center->TempNotify();
    return 0;
}

以上代码每次新增设备，都需要修改代码。这使稳定点变为不稳定，不符合设计原则 / 设计模式。

#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;
//
class IDisplay {
public:
    virtual void Show(float temperature) = 0;
    virtual ~IDisplay() {}
};

class DisplayA : public IDisplay {
public:
    virtual void Show(float temperature) {
        cout << "DisplayA Show" << endl;
    }
private:
    void jianyi();
};

class DisplayB : public IDisplay{
public:
    virtual void Show(float temperature) {
        cout << "DisplayB Show" << endl;
    }
};

class DisplayC : public IDisplay{
public:
    virtual void Show(float temperature) {
        cout << "DisplayC Show" << endl;
    }
};

class DisplayD : public IDisplay{
public:
    virtual void Show(float temperature) {
        cout << "DisplayC Show" << endl;
    }
};

class WeatherData {
};

// 应对稳定点，抽象
// 应对变化点，扩展（继承和组合）
class DataCenter {
public:
    void Attach(IDisplay * ob) {
        // 添加设备
    }
    void Detach(IDisplay * ob) {
        // 移除设备
    }
    void Notify() {// 一变化，多跟着变化
        float temper = CalcTemperature();
        for (auto iter : obs) {
            iter.Show(temper);
        }
    }

// 接口隔离
private:
    WeatherData * GetWeatherData();

    float CalcTemperature() {
        WeatherData * data = GetWeatherData();
        // ...
        float temper/* = */;
        return temper;
    }
    std::list<IDisplay*> obs;
};

int main() {
    // 单例模式
    DataCenter *center = new DataCenter;
    // ... 某个模块
    IDisplay *da = new DisplayA();
    center->Attach(da);

    // ...
    IDisplay *db = new DisplayB();
    center->Attach(db);
    
    IDisplay *dc = new DisplayC();
    center->Attach(dc);

    center->Notify();
    
    //-----
    center->Detach(db);
    center->Notify();
    //....
    center->Attach(dd);

    center->Notify();
    return 0;
}

通过抽象的方式让稳定的变得更稳定。通过扩展方式（继承和组合）应对变化点。

3.4、符合的设计原则

（1）面向接口编程。（2）接口隔离。类与类依赖接口隔离。（3）封装变化点。如上述代码的Attach()和Detach()。

3.5、扩展

（1）继承实现接口。（2）调用Attach()。（3）调用Detach()。

3.6、要点

（1）观察者模式使得我们可以独立地改变目标与观察者，从而使二者之间的关系松耦合；（2）观察者自己决定是否订阅通知，目标对象并不关注谁订阅了；（3）观察者不要依赖通知顺序，目标对象也不知道通知顺序；（4）常用在基于事件的ui框架中，也是 MVC 的组成部分；（5）常用在分布式系统中、actor框架中。

3.7、本质

触发联动

四、策略模式

4.1、定义

定义一系列算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可互相替换。该模式使得算法可独立于使用它的客户程序而变化。（1）稳定点：客户程序与算法的调用关系。（2）变化点：新增算法和算法内容变化。

4.2、代码结构

（1）基类有接口。（2）客户程序与算法的调用关系有一个类或接口，有调用封装。（3）通过依赖注入调用。（4）具体的调用。举个例子：某商场节假日有固定促销活动，为了加大促销力度，现提升国庆节促销活动规格。这个的稳定点是【固定促销活动】，变化点是促销力度。

enum VacationEnum {
	VAC_Spring,
    VAC_QiXi,
	VAC_Wuyi,
	VAC_GuoQing,
    VAC_ShengDan,
};

class Promotion {
    VacationEnum vac;
public:
    double CalcPromotion(){
        if (vac == VAC_Spring {
            // 春节
        }
        else if (vac == VAC_QiXi) {
            // 七夕
        }
        else if (vac == VAC_Wuyi) {
            // 五一
        }
		else if (vac == VAC_GuoQing) {
			// 国庆
		}
        else if (vac == VAC_ShengDan) {

        }
     }
    
};

牢记，通过抽象解决稳定点，通过扩展（扩展和组合）解决变化点。

class Context {

};

// 稳定点：抽象去解决它
// 变化点：扩展（继承和组合）去解决它
class ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx) = 0;
    virtual ~ProStategy(); 
};
// cpp
class VAC_Spring : public ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};
// cpp
class VAC_QiXi : public ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};
class VAC_QiXi1  : public VAC_QiXi {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};
// cpp
class VAC_Wuyi : public ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};
// cpp
class VAC_GuoQing : public ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};

class VAC_Shengdan : public ProStategy {
public:
    virtual double CalcPro(const Context &ctx){}
};

class Promotion {
public:
    Promotion(ProStategy *sss) : s(sss){}
    ~Promotion(){}
    double CalcPromotion(const Context &ctx){
        return s->CalcPro(ctx);
    }
private:
    ProStategy *s;
};

int main () {
    Context ctx;
    ProStategy *s = new VAC_QiXi1();
    Promotion *p = new Promotion(s);
    p->CalcPromotion(ctx);
    return 0;
}

4.3、符合的设计原则

（1）接口隔离。依赖注入，通过一个接口解决两个类的依赖。

private:
    ProStategy *s;

通过函数或者构造函数传参进来的这种方式叫做依赖注入。

 Promotion(ProStategy *sss) : s(sss){}
 ~Promotion(){}

（2）面向接口编程。（3）开闭原则。

4.4、扩展

实现一个类继承基类，通过依赖注入的方式调用相对应函数。

4.5、要点

（1）策略模式提供了一系列可重用的算法，从而可以使得类型在运行时方便地根据需要在各个算法之间进行切换；（2）策略模式消除了条件判断语句；也就是在解耦合。

4.6、本质

分离算法，选择实现；

五、总结

详述设计模式的定义、由来、解决的问题；C++多态；设计原则以及三个设计模式模板方法模式、观察者模式、策略模式。

对于C++的private权限，一般只能自己可以访问，如果其他的类要访问其private的内容，只能通过友缘类来访问。

class a{
friend class b;
private:
	// ...
}

模板方法模式 有骨架接口，子流程通过virtual关键字暴露给子类重写，调用时晚绑定；即子类可以重写父类的子流程，使父类流程丰富；本质是通过固定骨架约束子类的行为。这是最常用的设计模式。

观察者模式 可以独立的改变目标和观察者，使两种之间的关系松耦合；定义对象间一对多的依赖关系，”一“变化“多”也跟着变化；本质是触发联动。

策略模式 通过依赖注入实现算法的替换；实现一个类继承基类，通过依赖注入的方式调用相对应函数。

原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

单例模式

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