在软件工程中,设计模式是对软件设计中 普遍存在(反复出现) 的各种问题,所提出的解决方案。
使用设计模式,是为了让程序具有更好的:
代码重用性(相同功能的代码,不用多次编写)可读性(编程规范性,便于其他程序员的阅读和理解)可扩展性(当需要增加新的功能时,非常的方便)可靠性(当我们增加新的功能时,对原来的功能没有影响)使程序呈现高内聚,低耦合的特性设计模式的七大原则使设计模式为什么这样设计的依据。
设计模式常用的七大原则:
对类来说,即一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同的职责:职责1,职责2。当职责1需求变更而改变A时,可能造成职责2执行错误,所以需要将类A的粒度分解为A1和A2。(即分解为两个类)
public class SingleResponsibility1 { public static void main(String[] args) { Vehicle vehicle = new Vehicle(); vehicle.run("摩托车"); vehicle.run("汽车"); vehicle.run("飞机"); } } // 交通工具类 // 方式1 // 1、在方式1 的run()中,违反了单一职责原则 // 2、根据交通运行方式的不同,分解成不同的类型 class Vehicle { public void run(String vehicle){ System.out.println(vehicle + " 在公路上运行..."); } } public class SingleResponsibility2 { public static void main(String[] args) { RoadVehicle roadVehicle = new RoadVehicle(); roadVehicle.run("摩托车"); roadVehicle.run("汽车"); AirVehicle airVehicle = new AirVehicle(); airVehicle.run("飞机"); } } // 方案二的分析 // 1、遵守单一职责原则 // 2、但是这样的改动很大,即将类分解,同时修改了客户端 // 3、改进:直接修改Vehicle 类,改动的代码会比较少 ==》方案三 class RoadVehicle{ public void run(String vehicle){ System.out.println(vehicle +" 公路运行"); } } class AirVehicle{ public void run(String vehicle){ System.out.println(vehicle +" 天空运行"); } } class WaterVehicle{ public void run(String vehicle){ System.out.println(vehicle +" 水中运行"); } } public class SingleResponsibility3 { public static void main(String[] args) { Vehicle2 vehicle = new Vehicle2(); vehicle.runRoad("汽车"); vehicle.runAir("飞机"); vehicle.runWater("轮船"); } } // 方式3的分析 // 1、这种修改方法没有对原来的类做大的修改,只是增加方法 // 2、这里虽然没有在类这个级别上遵守单一职责原则,但是在方法级别,仍然时遵守单一职责 class Vehicle2 { public void runRoad(String vehicle){ System.out.println(vehicle + " 在公路运行..."); } public void runAir(String vehicle){ System.out.println(vehicle + " 在天空运行..."); } public void runWater(String vehicle){ System.out.println(vehicle + " 在水中运行..."); } }单一职责原则注意事项和细节
降低类的复杂度,一个类只负责一项职责
提高类的可读性,可维护性
降低变更引起的风险
通常情况下,我们应当遵守单一职责原则,只有逻辑足够简单,才可以在代码级违反单一职责原则;只有类中方法数量足够少,才可以在方法级别保持单一职责原则。
客户端不应该依赖它不需要的接口,即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
interface Interface1{ void operation1(); void operation2(); void operation3(); void operation4(); void operation5(); } class B implements Interface1{ public void operation1() { System.out.println("B 实现了operation1"); } public void operation2() { System.out.println("B 实现了operation2"); } public void operation3() { System.out.println("B 实现了operation3"); } public void operation4() { System.out.println("B 实现了operation4"); } public void operation5() { System.out.println("B 实现了operation5"); } } class D implements Interface1{ public void operation1() { System.out.println("D 实现了operation1"); } public void operation2() { System.out.println("D 实现了operation2"); } public void operation3() { System.out.println("D 实现了operation3"); } public void operation4() { System.out.println("D 实现了operation4"); } public void operation5() { System.out.println("D 实现了operation5"); } } class A{ // 类A通过Interface1,依赖B的1、2、3方法 public void dependency1(Interface1 i){ i.operation1(); } public void dependency2(Interface1 i){ i.operation2(); } public void dependency3(Interface1 i){ i.operation3(); } } class C{ // 类C通过Interface1,依赖D的1、4、5方法 public void dependency1(Interface1 i){ i.operation1(); } public void dependency4(Interface1 i){ i.operation4(); } public void dependency5(Interface1 i){ i.operation5(); } }类A通过接口Interface1依赖类B,类C通过接口Interface1依赖类D,如果接口Interface1对于类A和类C来说不是最小接口,那么类B和类D必须去实现它们不需要的方法。
按隔离原则应当这样处理:
将接口Interface1拆分为独立的几个接口,类A和类C分别与它们需要的接口建立依赖关系。
interface Interface1{ void operation1(); } interface Interface2{ void operation2(); void operation3(); } interface Interface3{ void operation4(); void operation5(); } class B implements Interface1,Interface2 { public void operation1() { System.out.println("B 实现了operation1"); } public void operation2() { System.out.println("B 实现了operation2"); } public void operation3() { System.out.println("B 实现了operation3"); } } class D implements Interface1,Interface3 { public void operation1() { System.out.println("D 实现了operation1"); } public void operation4() { System.out.println("D 实现了operation4"); } public void operation5() { System.out.println("D 实现了operation5"); } } class A{ // 类A通过Interface1、Interface2,依赖B的1、2、3方法 public void dependency1(Interface1 i){ i.operation1(); } public void dependency2(Interface2 i){ i.operation2(); } public void dependency3(Interface2 i){ i.operation3(); } } class C{ // 类C通过Interface1、Interface3,依赖D的1、4、5方法 public void dependency1(Interface1 i){ i.operation1(); } public void dependency4(Interface3 i){ i.operation4(); } public void dependency5(Interface3 i){ i.operation5(); } }基本介绍:
高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象。
抽象不应该依赖其细节,细节应该依赖抽象。
依赖倒转的中心思想是面向接口编程。
设计理念:相对于细节的多变性,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在Java中,抽象指的是接口或抽象类,细节就是具体的实现类。
使用接口或抽象类的目的是制定好规范,而不设计任何具体的操作,把展现细节的任务交给它们的实现类完成。
Person类接受消息
public class DependencyInversion { public static void main(String[] args) { Person person = new Person(); person.receive(new Email()); } } class Email{ public String getInfo(){ return "电子邮件信息:hello,world"; } } // 完成Person接收消息的功能 // 方式1分析 // 1、简单,比较容易想到 // 2、如果我们获取的对象是微信,短信等,则新增类,同时Person也要增加新的接受方法 // 3、解决思路:引入一个抽象的接口IReceiver,表示接收者,这样Person类与接口IReceiver发生依赖 // 因为Email、WeChat 等等属于接受的范围,他们各自实现IReceiver接口,这样就符合依赖倒转原则 class Person{ public void receive(Email email){ System.out.println(email.getInfo()); } } public class DependencyInversion { public static void main(String[] args) { Person person = new Person(); person.receive(new Email()); person.receive(new WeChat()); } } // 定义接口 interface IReceiver{ String getInfo(); } class Email implements IReceiver{ public String getInfo(){ return "电子邮件信息:hello,world"; } } class WeChat implements IReceiver{ public String getInfo(){ return "微信信息:hello,world"; } } class Person{ public void receive(IReceiver receiver){ System.out.println(receiver.getInfo()); } }依赖关系传递的三种方式和应用案例
接口传递 // 开关的接口 interface IOpenAndClose{ void open(ITV tv); // 抽象方法,接受接口 } interface ITV{ void play(); } class OpenAndClose implements IOpenAndClose{ public void open(ITV tv) { tv.play(); } } 构造方法传递 interface IOpenAndClose{ void open(); // 抽象方法 } interface ITV{ void play(); } class OpenAndClose implements IOpenAndClose{ public ITV tv; public OpenAndClose(ITV tv){ this.tv = tv; } public void open() { tv.play(); } } setter方式传递 interface IOpenAndClose{ void open(); // 抽象方法 void setTv(ITV tv); } interface ITV{ void play(); } class OpenAndClose implements IOpenAndClose{ public ITV tv; public void open() { tv.play(); } public void setTv(ITV tv) { this.tv = tv; } }注意事项和细节
低层模块尽量都要有抽象类或接口,或者两者都有,程序稳定性更好
变量的声明类型尽量是抽象类或接口,这样我们的变量引用和实际对象间,就存在一个缓冲层,利于程序扩展 和优化
继承时遵循里氏替换原则
OO中的继承性的思考和说明
继承包含这样一层含义:父类中凡是已经实现好的方法,实际上是在设定规范和契约,虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约,但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改,就会被整个继承体系造成破环。继承在给程序设计带来便利的同时,也带来了弊端。如使用继承会给程序带来侵入性,程序的可移植性降低,增加对象间的耦合性,如果一个类被其他的类所继承,则当这个类需要修改时,必须考虑到所有的子类,并且父类修改后,所有涉及到子类的功能都有可能产生故障。在编程中,如何正确的使用继承?==》里氏替换原则基本介绍
如果对每个类型为T1的对象o1,都有类型为T2的对象o2,使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时,程序P的行为没有发生变化,那么类型T2时类型T1的子类型。即所有引用基类的地方必须能透明的使用其子类的对象。
在使用继承时,遵循里氏替换原则,在子类中尽量不要重写父类的方法。
里氏替换原则告诉我们,继承实际上让两个类耦合性增强了。在适当的情况下,可以通过聚合,组合,依赖来解决问题。
public class Liskov { public static void main(String[] args) { A a = new A(); System.out.println("11-3 = " + a.func1(11,3)); System.out.println("1-8 = " + a.func1(1,8)); System.out.println("==============="); B b = new B(); System.out.println("11-3 = " + b.func1(11,3)); // 这里本意是求出11-3 System.out.println("1-8 = " + b.func1(1,8)); System.out.println("11+3+9 = " + b.func2(11,3)); } } // A类 class A{ // 返回两个数的差 public int func1(int a,int b){ return a - b; } } // B类继承了A // 增加了新的功能:完成两个数相加,然后和9求和 class B extends A{ // 无意进行了重写 @Override public int func1(int a, int b) { return a + b; } public int func2(int a, int b){ return func1(a, b) + 9; } }解决方法
我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误。原因是类B无意重写了父类的方法,造成原有功能出现错误。在实际编程中,我们常常通过重写父类的玩法完成新的功能,这样写起来虽然简单,但整个继承体系的复用性会变差。特定是多态比较频繁的时候。
通用的做法:令原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类,原有的继承关系去掉,采用依赖、聚合、组合等关系代替。 public class Liskov { public static void main(String[] args) { A a = new A(); System.out.println("11-3 = " + a.func1(11,3)); System.out.println("1-8 = " + a.func1(1,8)); System.out.println("==============="); B b = new B(); // 因为B类不在继承A类,所以调用者,不会在func1()是求减法 // 调用完成的功能就会很明确 System.out.println("11+3 = " + b.func1(11,3)); // 这里本意是求出11+3 System.out.println("1+8 = " + b.func1(1,8)); System.out.println("11+3+9 = " + b.func2(11,3)); // 使用组合仍然可以使用A类相关方法 System.out.println("11-3 = " + b.func3(11,3)); } } // 创建一个更加继承的基类 class Base{ } // A类 class A extends Base{ // 返回两个数的差 public int func1(int a,int b){ return a - b; } } // 增加了新的功能:完成两个数相加,然后和9求和 class B extends Base{ // 如果B需要使用A类的方法,使用组合关系 private A a = new A(); public int func1(int a, int b) { return a + b; } public int func2(int a, int b){ return func1(a, b) + 9; } // 我们仍然想使用A的方法c public int fun3(int a,int b){ return a.func1(); } }方式1的优缺点
优点时比较好理解,简单易操作。
缺点是违反了设计模式的ocp原则,即对扩展开放(提供方),对修改关闭(使用方)。
比如我们这时要新增加一个图形种类,我们需要做如下修改,修改的地方较多。
public class Ocp { public static void main(String[] args) { GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor(); graphicEditor.drawShape(new Rectangle()); graphicEditor.drawShape(new Circle()); graphicEditor.drawShape(new Triangle()); } } // 这是一个用于绘图的类 [使用方] class GraphicEditor{ // 接受Shape对象,然后根据type,绘制不同的图形 public void drawShape(Shape s){ if(s.m_type == 1){ drawRectangle(s); }else if(s.m_type == 2){ drawCircle(s); }else if(s.m_type == 3){ drawTriangle(s); } } private void drawCircle(Shape s) { System.out.println("绘制圆形"); } private void drawRectangle(Shape s) { System.out.println("绘制矩形"); } private void drawTriangle(Shape s) { System.out.println("绘制三角形"); } } // 基类 class Shape{ int m_type; } class Rectangle extends Shape{ Rectangle(){ super.m_type = 1; } } class Circle extends Shape{ Circle(){ super.m_type = 2; } } // 新增三角形 class Triangle extends Shape{ Triangle(){ super.m_type = 3; } }改进:把创建的Shape类改为抽象类,并提供一个抽象的draw()方法,让子类去实现即可,这样我们有新的图形种类时,只需要让新的图形继承Shape,并实现draw方法即可。使用方代码不需要改动,满足开闭原则。
public class Ocp { public static void main(String[] args) { GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor(); graphicEditor.drawShape(new Rectangle()); graphicEditor.drawShape(new Circle()); graphicEditor.drawShape(new Triangle()); } } // 这是一个用于绘图的类 [使用方] class GraphicEditor{ // 接受Shape对象,调用draw()方法a public void drawShape(Shape s){ s.draw(); } } // 基类 abstract class Shape{ public abstract void draw(); // 抽象方法 } class Rectangle extends Shape { public void draw() { System.out.println("绘制矩形"); } } class Circle extends Shape { public void draw() { System.out.println("绘制圆形"); } } // 新增三角形 class Triangle extends Shape { public void draw() { System.out.println("绘制三角形"); } }有一个学校,下属有各个学院和总部,现要求打印出学校总部员工ID和学院员工的id。
// 客户端 public class Demeter1 { public static void main(String[] args) { // 创建一个SchoolManager SchoolManager schoolManager = new SchoolManager(); // 输出学院的员工id 和 学校总部的员工信息 schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager()); } } // 学校总部员工 class Employee{ private String id; public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } } // 学院员工 class CollegeEmployee{ private String id; public String getId() { return id; } public void setId(String id) { this.id = id; } } // 管理学院员工的类 class CollegeManager{ // 返回学院的所有员工 public List<CollegeEmployee> getAllEmployee(){ List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>(); for(int i=0;i<10;i++){ CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee(); emp.setId("学院员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } } // 管理学校总部员工的类 class SchoolManager{ public List<Employee> getAllEmployee(){ List<Employee> list = new ArrayList<Employee>(); for(int i=0;i<5;i++){ Employee emp = new Employee(); emp.setId("学校总部员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id) void printAllEmployee(CollegeManager sub){ // 获取到学院员工 List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee(); System.out.println("---------学院员工----------"); for(CollegeEmployee e : list1){ System.out.println(e.getId()); } // 获取到学校总部员工 List<Employee> list2 = this.getAllEmployee(); System.out.println("---------学校总部员工----------"); for(Employee e : list2){ System.out.println(e.getId()); } } } // 管理学院员工的类 class CollegeManager{ // 返回学院的所有员工 public List<CollegeEmployee> getAllEmployee(){ List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>(); for(int i=0;i<10;i++){ CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee(); emp.setId("学院员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } } // 管理学校总部员工的类 // 分析 SchoolManager 类的直接朋友有 Employee、 CollegeManager // CollegeEmployee 不是直接朋友 class SchoolManager{ public List<Employee> getAllEmployee(){ List<Employee> list = new ArrayList<Employee>(); for(int i=0;i<5;i++){ Employee emp = new Employee(); emp.setId("学校总部员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id) void printAllEmployee(CollegeManager sub){ // 1、CollegeEmployee 不是SchoolManager的直接朋友 // 2、CollegeEmployee 是以局部变量方式出现在SchoolManager // 3、违反了迪米特法则 // 获取到学院员工 List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee(); System.out.println("---------学院员工----------"); for(CollegeEmployee e : list1){ System.out.println(e.getId()); } // 获取到学校总部员工 List<Employee> list2 = this.getAllEmployee(); System.out.println("---------学校总部员工----------"); for(Employee e : list2){ System.out.println(e.getId()); } } }改进:按照迪米特法则,应该避免类中出现这样非直接朋友关系的耦合。
// 管理学院员工的类 class CollegeManager{ // 返回学院的所有员工 public List<CollegeEmployee> getAllEmployee(){ List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>(); for(int i=0;i<10;i++){ CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee(); emp.setId("学院员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 输出学院员工信息 public void printAllCollegeEmployee(){ List<CollegeEmployee> list1 = this.getAllEmployee(); System.out.println("---------学院员工----------"); for(CollegeEmployee e : list1){ System.out.println(e.getId()); } } } // 管理学校总部员工的类 // 分析 SchoolManager 类的直接朋友有 Employee、 CollegeManager // CollegeEmployee 不是直接朋友 class SchoolManager{ public List<Employee> getAllEmployee(){ List<Employee> list = new ArrayList<Employee>(); for(int i=0;i<5;i++){ Employee emp = new Employee(); emp.setId("学校总部员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id) void printAllEmployee(CollegeManager sub){ // 1、将输出学院的员工方法,封装到CollegeManager sub.printAllCollegeEmployee(); // 获取到学校总部员工 List<Employee> list2 = this.getAllEmployee(); System.out.println("---------学校总部员工----------"); for(Employee e : list2){ System.out.println(e.getId()); } } }迪米特法则注意事项和细节
迪米特法则的核心是降低类之间的耦合
由于每个类都减少了不必要的依赖,因此迪米特法则只是要求降低类间(对象间)耦合关系,并不是要求完全没有依赖关系
它要求在软件复用时,要尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现,其次才考虑使用继承关系来实现。
如果要使用继承关系,则必须严格遵循里氏替换原则。合成复用原则同里氏替换原则相辅相成的,两者都是开闭原则的具体实现规范。
类似于我们在里氏替换原则中的示例代码。
单例模式
工厂模式
建造者模式
原型模式
结构型模式可以分为类结构型模式和对象结构型模式
类结构型模式关心类的组合,由多个类可以组合成一个更大的系统,在类结构型模式中一般只存在继承关系和实现关系。
对象结构型模式关心类与对象的组合,通过关联关系使得在一个类中定义另一个类的实例对象,然后通过该对象调用其方法。根据“合成复用原则”,在系统中尽量使用关联关系来替代继承关系,因此大部分结构型模式都是对象结构型模式。
适配器模式
代理模式
行为型模式分为类行为型模式和对象行为型模式两种:
类行为型模式: 类的行为型模式使用继承关系在几个类之间分配行为,类行为型模式主要通过多态等方式来分配父类与子类的职责。对象行为型模式: 对象的行为型模式则使用对象的聚合关联关系来分配行为,对象行为型模式主要是通过对象关联等方式来分配两个或多个类的职责。根据“合成复用原则”,系统中要尽量使用关联关系来取代继承关系,因此大部分行为型设计模式都属于对象行为型设计模式。策略模式