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设计模式汇总

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MinoyJet
2017.05.03 15:35* 字数 16287

设计模式汇总

一、基础知识

1. 设计模式概述

定义:设计模式(Design Pattern)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结,使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解并且保证代码可靠性。

根据它们的用途,设计模式可分为 创建型(Creational)结构型(Structural)行为型(Behavioral) 三种。其中 创建型模式 主要用于描述如何创建对象,结构型模式 主要用于描述如何实现类或对象的组合,行为型模式 主要用于描述类或对象怎样交互以及怎样分配职责。在 GoF 23 种设计模式中包含 5 种创建型设计模式、7 种结构型设计模式和 11 种行为型设计模式。此外,根据某个模式主要是用于处理类之间的关系还是对象之间的关系,设计模式还可以分为 类模式对象模式 。我们经常将两种分类方式结合使用,如单例模式是对象创建型模式,模板方法模式是类行为型模式。

值得一提的是,有一个设计模式虽然不属于 GoF 23 种设计模式,但一般在介绍设计模式时都会对它进行说明,它就是 简单工厂模式 ,也许是太 “ 简单 ” 了,GoF 并没有把它写到那本经典著作中,不过现在大部分的设计模式书籍都会对它进行专门的介绍。

常用 24 种设计模式如下表所示:

类型 模式名称 学习难度 使用频率
创建型模式 Creational Pattern 单例模式 Singleton Pattern ★☆☆☆☆ ★★★★☆
简单工厂模式 Simple Factory Pattern ★★☆☆☆ ★★★☆☆
工厂方法模式 Factory Method Pattern ★★☆☆☆ ★★★★★
抽象工厂模式 Abstract Factory Pattern ★★★★☆ ★★★★★
原型模式 Prototype Pattern ★★★☆☆ ★★★☆☆
建造者模式 Builder Pattern ★★★★☆ ★★☆☆☆
结构型模式 Structural Pattern 适配器模式 Adapter Pattern ★★☆☆☆ ★★★★☆
桥接模式 Bridge Pattern ★★★☆☆ ★★★☆☆
组合模式 Composite Pattern ★★★☆☆ ★★★★☆
装饰模式 Decorator Pattern ★★★☆☆ ★★★☆☆
外观模式 Facade Pattern ★☆☆☆☆ ★★★★★
享元模式 Flyweight Pattern ★★★★☆ ★☆☆☆☆
代理模式 Proxy Pattern ★★★☆☆ ★★★★☆
行为型模式 Behavioral Pattern 职责链模式 Chain of Responsibility Pattern ★★★☆☆ ★★☆☆☆
命令模式 Command Pattern ★★★☆☆ ★★★★☆
解释器模式 Interpreter Pattern ★★★★★ ★☆☆☆☆
迭代器模式 Iterator Pattern ★★★☆☆ ★★★★★
中介者模式 Mediator Pattern ★★★☆☆ ★★☆☆☆
备忘录模式 Memento Pattern ★★☆☆☆ ★★☆☆☆
观察者模式 Observer Pattern ★★★☆☆ ★★★★★
状态模式 State Pattern ★★★☆☆ ★★★☆☆
策略模式 Strategy Pattern ★☆☆☆☆ ★★★★☆
模板方法模式 Template Method Pattern ★★☆☆☆ ★★★☆☆
访问者模式 Visitor Pattern ★★★★☆ ★☆☆☆☆

2. 面向对象设计原则

如何同时提高一个软件系统的可维护性和可复用性是面向对象设计需要解决的核心问题之一。在面向对象设计中,可维护性的复用是以设计原则为基础的。每一个原则都蕴含一些面向对象设计的思想,可以从不同的角度提升一个软件结构的设计水平。面向对象设计原则为支持可维护性复用而诞生,这些原则蕴含在很多设计模式中,它们是从许多设计方案中总结出的指导性原则。

最常见的 7 种面向对象设计原则如下表所示:

设计原则名称 定 义 使用频率
单一职责原则 (Single Responsibility Principle, SRP) 一个类只负责一个功能领域中的相应职责 ★★★★☆
开闭原则 (Open-Closed Principle, OCP) 软件实体应对扩展开放,而对修改关闭 ★★★★★
里氏代换原则 (Liskov Substitution Principle, LSP) 所有引用基类对象的地方能够透明地使用其子类的对象 ★★★★★
依赖倒转原则 (Dependence Inversion Principle, DIP) 抽象不应该依赖于细节,细节应该依赖于抽象 ★★★★★
接口隔离原则 (Interface Segregation Principle, ISP) 使用多个专门的接口,而不使用单一的总接口 ★★☆☆☆
合成复用原则 (Composite Reuse Principle, CRP) 尽量使用对象组合,而不是继承来达到复用的目的 ★★★★☆
迪米特法则 (Law of Demeter, LoD) 一个软件实体应当尽可能少地与其他实体发生相互作用 ★★★☆☆

二、24 种设计模式简介

1. 6 个创建型模式

单例模式 (Singleton Pattern)

单例模式(Singleton Pattern):确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。

  • 单例模式确保某一个类只有一个实例,而且自行实例化并向整个系统提供这个实例,这个类称为单例类,它提供全局访问的方法。单例模式的要点有三个:一是某个类只能有一个实例;二是它必须自行创建这个实例;三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。
  • 单例模式只包含一个单例角色:在单例类的内部实现只生成一个实例,同时它提供一个静态的工厂方法,让客户可以使用它的唯一实例;为了防止在外部对其实例化,将其构造函数设计为私有
  • 单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。单例类拥有一个私有构造函数,确保用户无法通过 new 关键字直接实例化它。除此之外,该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法。该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己,然后存储在静态成员变量中,以确保只有一个实例被创建。
  • 单例模式的主要优点在于提供了对唯一实例的受控访问并可以节约系统资源;其主要缺点在于因为缺少抽象层而难以扩展,且单例类职责过重。
  • 单例模式适用情况包括:系统只需要一个实例对象;客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点。

简单工厂模式 (Simple Factory Pattern)

简单工厂模式(Simple Factory Pattern):定义一个工厂类,它可以根据参数的不同返回不同类的实例,被创建的实例通常都具有共同的父类。因为在简单工厂模式中用于创建实例的方法是静态(static)方法,因此简单工厂模式又被称为静态工厂方法(Static Factory Method)模式。它属于类创建型模式。

  • 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。

工厂方法模式 (Factory Method Pattern)

工厂方法模式(Factory Method Pattern):定义一个用于创建对象的接口,让子类决定将哪一个类实例化。工厂方法模式让一个类的实例化延迟到其子类。工厂方法模式又简称为工厂模式(Factory Pattern),又可称作虚拟构造器模式(Virtual Constructor Pattern)或多态工厂模式(Polymorphic Factory Pattern)。它属于类创建型模式。

  • 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。

抽象工厂模式 (Abstract Factory Pattern)

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern):提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无须指定它们具体的类。抽象工厂模式又称为Kit模式,属于对象创建型模式。

  • 抽象工厂模式包含四个角色:抽象工厂用于声明生成抽象产品的方法;具体工厂实现了抽象工厂声明的生成抽象产品的方法,生成一组具体产品,这些产品构成了一个产品族,每一个产品都位于某个产品等级结构中;抽象产品为每种产品声明接口,在抽象产品中定义了产品的抽象业务方法;具体产品定义具体工厂生产的具体产品对象,实现抽象产品接口中定义的业务方法。
  • 抽象工厂模式是所有形式的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形态。抽象工厂模式与工厂方法模式最大的区别在于,工厂方法模式针对的是一个产品等级结构,而抽象工厂模式则需要面对多个产品等级结构。
  • 抽象工厂模式的主要优点是隔离了具体类的生成,使得客户并不需要知道什么被创建,而且每次可以通过具体工厂类创建一个产品族中的多个对象,增加或者替换产品族比较方便,增加新的具体工厂和产品族很方便;主要缺点在于增加新的产品等级结构很复杂,需要修改抽象工厂和所有的具体工厂类,对“开闭原则”的支持呈现倾斜性。
  • 抽象工厂模式适用情况包括:一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节;系统中有多于一个的产品族,而每次只使用其中某一产品族;属于同一个产品族的产品将在一起使用;系统提供一个产品类的库,所有的产品以同样的接口出现,从而使客户端不依赖于具体实现。

原型模式 (Prototype Pattern)

原型模式(Prototype Pattern):使用原型实例指定创建对象的种类,并且通过拷贝这些原型创建新的对象。原型模式是一种对象创建型模式。

  • 原型模式包含三个角色:抽象原型类是声明克隆方法的接口,是所有具体原型类的公共父类,可以是抽象类也可以是接口,甚至还可以是具体实现类;具体原型类实现在抽象原型类中声明的克隆方法,在克隆方法中返回自己的一个克隆对象;客户类让一个原型对象克隆自身从而创建一个新的对象,在客户类中只需要直接实例化或通过工厂方法等方式创建一个原型对象,再通过调用该对象的克隆方法即可得到多个相同的对象。
  • 由于客户类针对抽象原型类编程,因此用户可以根据需要选择具体原型类,系统具有较好的可扩展性,增加或更换具体原型类都很方便。
  • 原型模式的主要优点是简化复杂对象的创建过程,扩展性较好,还可以使用深克隆的方式保存对象状态,在需要的时候使用可辅助实现撤销操作。主要缺点是需要为每一个类配备一个克隆方法,而且该克隆方法位于一个类的内部,当对已有的类进行改造时,需要修改源代码,违背了 “ 开闭原则 ”;在实现深克隆时需要编写较为复杂的代码。
  • 原型模式的适用情况包括:创建新对象成本较大,新的对象可以通过原型模式对已有对象进行复制来获得;如果系统要保存对象的状态;需要避免使用分层次的工厂类来创建分层次的对象,并且类的实例对象只有一个或很少的几个组合状态。

建造者模式 (Builder Pattern)

建造者模式(Builder Pattern):将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一种对象创建型模式。

  • 建造者模式将一个复杂对象的构建与它的表示分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示。建造者模式是一步一步创建一个复杂的对象,它允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就可以构建它们,用户不需要知道内部的具体构建细节。建造者模式属于对象创建型模式。
  • 建造者模式包含如下四个角色:抽象建造者为创建一个产品对象的各个部件指定抽象接口;具体建造者实现了抽象建造者接口,实现各个部件的构造和装配方法,定义并明确它所创建的复杂对象,也可以提供一个方法返回创建好的复杂产品对象;产品角色是被构建的复杂对象,包含多个组成部件;指挥者负责安排复杂对象的建造次序,指挥者与抽象建造者之间存在关联关系,可以在其 construct() 建造方法中调用建造者对象的部件构造与装配方法,完成复杂对象的建造。
  • 在建造者模式的结构中引入了一个指挥者类,该类的作用主要有两个:一方面它隔离了客户与生产过程;另一方面它负责控制产品的生成过程。指挥者针对抽象建造者编程,客户端只需要知道具体建造者的类型,即可通过指挥者类调用建造者的相关方法,返回一个完整的产品对象。
  • 建造者模式的主要优点在于客户端不必知道产品内部组成的细节,将产品本身与产品的创建过程解耦,使得相同的创建过程可以创建不同的产品对象,每一个具体建造者都相对独立,而与其他的具体建造者无关,因此可以很方便地替换具体建造者或增加新的具体建造者,符合“开闭原则”,还可以更加精细地控制产品的创建过程;其主要缺点在于由于建造者模式所创建的产品一般具有较多的共同点,其组成部分相似,因此其使用范围受到一定的限制,如果产品的内部变化复杂,可能会导致需要定义很多具体建造者类来实现这种变化,导致系统变得很庞大。
  • 建造者模式适用情况包括:需要生成的产品对象有复杂的内部结构,这些产品对象通常包含多个成员属性;需要生成的产品对象的属性相互依赖,需要指定其生成顺序;对象的创建过程独立于创建该对象的类;隔离复杂对象的创建和使用,并使得相同的创建过程可以创建不同类型的产品。

2. 7 个结构型模式

适配器模式 (Adapter Pattern)

适配器模式(Adapter Pattern):将一个接口转换成客户希望的另一个接口,使接口不兼容的那些类可以一起工作,其别名为包装器(Wrapper)。适配器模式既可以作为类结构型模式,也可以作为对象结构型模式。

  • 结构型模式描述如何将类或者对象结合在一起形成更大的结构。
  • 适配器模式包含四个角色:目标抽象类定义客户要用的特定领域的接口;适配器类可以调用另一个接口,作为一个转换器,对适配者和抽象目标类进行适配,它是适配器模式的核心;适配者类是被适配的角色,它定义了一个已经存在的接口,这个接口需要适配;在客户类中针对目标抽象类进行编程,调用在目标抽象类中定义的业务方法。
  • 在类适配器模式中,适配器类实现了目标抽象类接口并继承了适配者类,并在目标抽象类的实现方法中调用所继承的适配者类的方法;在对象适配器模式中,适配器类继承了目标抽象类并定义了一个适配者类的对象实例,在所继承的目标抽象类方法中调用适配者类的相应业务方法。
  • 适配器模式的主要优点是将目标类和适配者类解耦,增加了类的透明性和复用性,同时系统的灵活性和扩展性都非常好,更换适配器或者增加新的适配器都非常方便,符合“开闭原则”;类适配器模式的缺点是适配器类在很多编程语言中不能同时适配多个适配者类,对象适配器模式的缺点是很难置换适配者类的方法。
  • 适配器模式适用情况包括:系统需要使用现有的类,而这些类的接口不符合系统的需要;想要建立一个可以重复使用的类,用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类一起工作。

桥接模式 (Bridge Pattern)

桥接模式(Bridge Pattern):将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式,又称为柄体(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。

  • 桥接模式包含如下四个角色:抽象类中定义了一个实现类接口类型的对象并可以维护该对象;扩充抽象类扩充由抽象类定义的接口,它实现了在抽象类中定义的抽象业务方法,在扩充抽象类中可以调用在实现类接口中定义的业务方法;实现类接口定义了实现类的接口,实现类接口仅提供基本操作,而抽象类定义的接口可能会做更多更复杂的操作;具体实现类实现了实现类接口并且具体实现它,在不同的具体实现类中提供基本操作的不同实现,在程序运行时,具体实现类对象将替换其父类对象,提供给客户端具体的业务操作方法。
  • 在桥接模式中,抽象化(Abstraction)与实现化(Implementation)脱耦,它们可以沿着各自的维度独立变化。
  • 桥接模式的主要优点是分离抽象接口及其实现部分,是比多继承方案更好的解决方法,桥接模式还提高了系统的可扩充性,在两个变化维度中任意扩展一个维度,都不需要修改原有系统,实现细节对客户透明,可以对用户隐藏实现细节;其主要缺点是增加系统的理解与设计难度,且识别出系统中两个独立变化的维度并不是一件容易的事情。
  • 桥接模式适用情况包括:需要在构件的抽象化角色和具体化角色之间增加更多的灵活性,避免在两个层次之间建立静态的继承联系;抽象化角色和实现化角色可以以继承的方式独立扩展而互不影响;一个类存在两个独立变化的维度,且这两个维度都需要进行扩展;设计要求需要独立管理抽象化角色和具体化角色;不希望使用继承或因为多层次继承导致系统类的个数急剧增加的系统。

组合模式 (Composite Pattern)

组合模式(Composite Pattern):组合多个对象形成树形结构以表示具有“整体—部分”关系的层次结构。组合模式对单个对象(即叶子对象)和组合对象(即容器对象)的使用具有一致性,组合模式又可以称为“整体—部分”(Part-Whole)模式,它是一种对象结构型模式。

  • 组合模式包含三个角色:抽象构件可以是接口或抽象类,为叶子构件和容器构件对象声明接口,在该角色中可以包含所有子类共有行为的声明和实现;叶子构件表示叶子节点对象,叶子节点没有子节点,它实现了在抽象构件中定义的行为;容器构件表示容器节点对象,容器节点包含子节点,其子节点可以是叶子节点,也可以是容器节点,它提供一个集合用于存储子节点,实现了在抽象构件中定义的行为,包括那些访问及管理子构件的方法,在其业务方法中可以递归调用其子节点的业务方法。
  • 组合模式的关键是定义了一个抽象构件类,它既可以代表叶子,又可以代表容器,而客户端针对该抽象构件类进行编程,无须知道它到底表示的是叶子还是容器,可以对其进行统一处理。
  • 组合模式使用面向对象的思想来实现树形结构的构建与处理,描述了如何将容器对象和叶子对象进行递归组合,实现简单,灵活性好。
  • 组合模式的主要优点是清楚地定义分层次的复杂对象,方便对整个层次结构进行控制;客户端可以一致地使用一个组合结构或其中单个对象,简化了客户端代码;增加新的容器构件和叶子构件都很方便,无须对现有类库进行任何修改,符合“开闭原则”。其主要缺点是在增加新构件时很难对容器中的构件类型进行限制。
  • 组合模式适用情况包括:在具有整体和部分的层次结构中,希望通过一种方式忽略整体与部分的差异,客户端可以一致地对待它们;在一个使用面向对象语言开发的系统中需要处理一个树形结构;在一个系统中能够分离出叶子对象和容器对象,而且它们的类型不固定,需要增加一些新的类型。

装饰模式 (Decorator Pattern)

装饰模式(Decorator Pattern):动态地给一个对象增加一些额外的职责,就增加对象功能来说,装饰模式比生成子类实现更为灵活。装饰模式是一种对象结构型模式。

  • 装饰模式包含四个角色:抽象构件定义了对象的接口,可以给这些对 象动态增加职责(方法);具体构件定义了具体的构件对象,实现了 在抽象构件中声明的方法,装饰器可以给它增加额外的职责(方法); 抽象装饰类是抽象构件类的子类,用于给具体构件增加职责,但是具体职责在其子类中实现;具体装饰类是抽象装饰类的子类,负责向构件添加新的职责。
  • 使用装饰模式来实现扩展比继承更加灵活,它以对客户透明的方式动态地给一个对象附加更多的责任。装饰模式可以在不需要创造更多子类的情况下,将对象的功能加以扩展。
  • 装饰模式的主要优点在于可以提供比继承更多的灵活性,可以通过一种动态的方式来扩展一个对象的功能,并通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的排列组合,可以创造出很多不同行为的组合,而且具体构件类与具体装饰类可以独立变化,用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类;其主要缺点在于使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象,而且装饰模式比继承更加易于出错,排错也很困难,对于多次装饰的对象,调试时寻找错误可能需要逐级排查,较为烦琐。
  • 装饰模式适用情况包括:在不影响其他对象的情况下,以动态、透明的方式给单个对象添加职责;需要动态地给一个对象增加功能,这些功能也可以动态地被撤销;当不能采用继承的方式对系统进行扩充或者采用继承不利于系统扩展和维护时。
  • 装饰模式可分为透明装饰模式半透明装饰模式:在透明装饰模式中,要求客户端完全针对抽象编程,装饰模式的透明性要求客户端程序不应该声明具体构件类型和具体装饰类型,而应该全部声明为抽象构件类型;半透明装饰模式允许用户在客户端声明具体装饰者类型的对象,调用在具体装饰者中新增的方法。

外观模式 (Facade Pattern)

外观模式(Facade Pattern):外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的外观对象进行,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。外观模式又称为门面模式,它是一种对象结构型模式。

  • 外观模式包含两个角色:外观角色是在客户端直接调用的角色,在外观角色中可以知道相关的(一个或者多个)子系统的功能和责任,它将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统去,传递给相应的子系统对象处理;在软件系统中可以同时有一个或者多个子系统角色,每一个子系统可以不是一个单独的类,而是一个类的集合,它实现子系统的功能。
  • 外观模式要求一个子系统的外部与其内部的通信通过一个统一的外观对象进行,外观类将客户端与子系统的内部复杂性分隔开,使得客户端只需要与外观对象打交道,而不需要与子系统内部的很多对象打交道。
  • 外观模式主要优点在于对客户屏蔽子系统组件,减少了客户处理的对象数目并使得子系统使用起来更加容易,它实现了子系统与客户之间的松耦合关系,并降低了大型软件系统中的编译依赖性,简化了系统在不同平台之间的移植过程;其缺点在于不能很好地限制客户使用子系统类,而且在不引入抽象外观类的情况下,增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码,违背了“开闭原则”。
  • 外观模式适用情况包括:要为一个复杂子系统提供一个简单接口;客户程序与多个子系统之间存在很大的依赖性;在层次化结构中,需要定义系统中每一层的入口,使得层与层之间不直接产生联系。

享元模式 (Flyweight Pattern)

享元模式(Flyweight Pattern):运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式,它是一种对象结构型模式。

  • 享元模式包含四个角色:抽象享元类声明一个接口,通过它可以接受并作用于外部状态;具体享元类实现了抽象享元接口,其实例称为享元对象;非共享具体享元是不能被共享的抽象享元类的子类;享元工厂类用于创建并管理享元对象,它针对抽象享元类编程,将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中。
  • 享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象,享元对象能做到共享的关键是区分内部状态和外部状态。其中内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态,因此内部状态可以共享;外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。
  • 享元模式主要优点在于它可以极大减少内存中对象的数量,使得相同对象或相似对象在内存中只保存一份;其缺点是使得系统更加复杂,并且需要将享元对象的状态外部化,而读取外部状态使得运行时间变长。
  • 享元模式适用情况包括:一个系统有大量相同或者相似的对象,由于这类对象的大量使用,造成内存的大量耗费;对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些外部状态传入对象中;多次重复使用享元对象。

代理模式 (Proxy Pattern)

代理模式(Proxy Pattern):给某一个对象提供一个代理,并由代理对象控制对原对象的引用。代理模式的英 文叫做 Proxy 或 Surrogate ,它是一种对象结构型模式。

  • 代理模式包含三个角色:抽象主题角色声明了真实主题和代理主题的共同接口;代理主题角色内部包含对真实主题的引用,从而可以在任何时候操作真实主题对象;真实主题角色定义了代理角色所代表的真实对象,在真实主题角色中实现了真实的业务操作,客户端可以通过代理主题角色间接调用真实主题角色中定义的方法。
  • 代理模式的优点在于能够协调调用者和被调用者,在一定程度上降低了系统的耦合度;其缺点在于由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象,因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢,并且实现代理模式需要额外的工作,有些代理模式的实现非常复杂。
  • 远程代理为一个位于不同的地址空间的对象提供一个本地的代表对象,它使得客户端可以访问在远程机器上的对象,远程机器可能具有更好的计算性能与处理速度,可以快速响应并处理客户端请求。
  • 如果需要创建一个资源消耗较大的对象,先创建一个消耗相对较小的对象来表示,真实对象只在需要时才会被真正创建,这个小对象称为虚拟代理。虚拟代理通过使用一个小对象来代表一个大对象,可以减少系统资源的消耗,对系统进行优化并提高运行速度。
  • 保护代理可以控制对一个对象的访问,可以给不同的用户提供不同级别的使用权限。

3. 11 个行为型模式

职责链模式 (Chain of Responsibility Pattern)

职责链模式(Chain of Responsibility Pattern):避免请求发送者与接收者耦合在一起,让多个对象都有可能接收请求,将这些对象连接成一条链,并且沿着这条链传递请求,直到有对象处理它为止。职责链模式是一种对象行为型模式。

  • 职责链模式包含两个角色:抽象处理者定义了一个处理请求的接口,一般设计为抽象类,由于不同的具体处理者处理请求的方式不同,因此在其中定义了抽象请求处理方法;具体处理者是抽象处理者的子类,可以处理用户请求,在具体处理者类中实现了抽象处理者中定义的抽象请求处理方法,在处理请求之前需要进行判断,看是否有相应的处理权限,如果可以处理请求就处理它,否则将请求转发给后继者。
  • 在职责链模式里,很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递,直到链上的某一个对象决定处理此请求。发出这个请求的客户端并不知道链上的哪一个对象最终处理这个请求,这使得系统可以在不影响客户端的情况下动态地重新组织链和分配责任
  • 职责链模式的主要优点是使得一个对象无须知道是其他哪一个对象处理其请求,对象仅需知道该请求会被处理即可,降低了系统的耦合度,简化了对象的相互连接,可以动态地重新组织链和分配责任;主要缺点是一个请求也可能因职责链没有被正确配置而得不到处理,对于比较长的职责链,系统性能将受到一定影响,而且在进行代码调试时不太方便,还可能陷入死循环。
  • 职责链模式的适用情况包括:有多个对象可以处理同一个请求,具体哪个对象处理该请求待运行时刻再确定;可动态指定一组对象处理请求,客户端可以动态创建职责链来处理请求,还可以改变链中处理者之间的先后次序;在不明确指定接收者的情况下,向多个对象中的一个提交一个请求。

命令模式 (Command Pattern)

命令模式(Command Pattern):将一个请求封装为一个对象,从而使我们可用不同的请求对客户进行参数化;对请求排队或者记录请求日志,以及支持可撤销的操作。命令模式是一种对象行为型模式,其别名为动作 (Action) 模式或事务 (Transaction) 模式。

  • 命令模式包含四个角色:抽象命令类中声明了用于执行请求的 execute() 等方法,通过这些方法可以调用请求接收者的相关操作;具体命令类是抽象命令类的子类,实现了在抽象命令类中声明的方法,它对应具体的接收者对象,将接收者对象的动作绑定其中;调用者即请求的发送者,又称为请求者,它通过命令对象来执行请求;接收者执行与请求相关的操作,它具体实现对请求的业务处理。
  • 命令模式的本质是对命令进行封装,将发出命令的责任和执行命令的责任分割开。命令模式使请求本身成为一个对象,这个对象和其他对象一样可以被存储和传递。
  • 命令模式的主要优点在于降低系统的耦合度,增加新的命令很方便,而且可以比较容易地设计一个命令队列和宏命令,并方便地实现对请求的撤销和恢复;其主要缺点在于可能会导致某些系统有过多的具体命令类。
  • 命令模式适用情况包括:需要将请求调用者和请求接收者解耦,使得调用者和接收者不直接交互;需要在不同的时间指定请求、将请求排队和执行请求;需要支持命令的撤销操作和恢复操作,需要将一组操作组合在一起,即支持宏命令。

解释器模式 (Interpreter Pattern)

解释器模式(Interpreter Pattern):定义一个语言的文法,并且建立一个解释器来解释该语言中的句子,这里的 “语言” 是指使用规定格式和语法的代码。解释器模式是一种类行为型模式。

  • 解释器模式包含四个角色:抽象表达式声明了抽象的解释操作,它是所有终结符表达式和非终结符表达式的公共父类;终结符表达式是抽象表达式的子类,它实现了与文法中的终结符相关联的解释操作,在句子中的每一个终结符都是该类的一个实例;非终结符表达式也是抽象表达式的子类,它实现了文法中非终结符的解释操作,由于在非终结符表达式中可以包含终结符表达式,也可以继续包含非终结符表达式,因此其解释操作一般通过递归的方式来完成;环境类又称为上下文类,它用于存储解释器之外的一些全局信息,通常它临时存储了需要解释的语句。
  • 解释器模式为自定义语言的设计和实现提供了一种解决方案,它用于定义一组文法规则并通过这组文法规则来解释语言中的句子。虽然解释器模式的使用频率不是特别高,但是它在正则表达式、XML文档解释等领域还是得到了广泛使用。
  • 解释器模式的主要优点是易于改变和扩展文法;主要缺点是对于复杂文法难以维护,执行效率低,由于使用了大量的循环和递归调用,因此在解释较为复杂的句子时其速度很慢,而且代码的调试过程也比较麻烦。
  • 解释器模式适用情景包括:可以将一个需要解释执行的语言中的句子表示为一个抽象语法树;一些重复出现的问题可以用一种简单的语言来进行表达;一个语言的文法较为简单。

迭代器模式 (Iterator Pattern)

迭代器模式(Iterator Pattern):提供一种方法来访问聚合对象,而不用暴露这个对象的内部表示,其别名为游标(Cursor)。迭代器模式是一种对象行为型模式。

  • 迭代器模式包含四个角色:抽象迭代器定义了访问和遍历元素的接口,声明了用于遍历数据元素的方法;具体迭代器实现了抽象迭代器接口,完成对聚合对象的遍历,同时在具体迭代器中通过游标来记录在聚合对象中所处的当前位置;抽象聚合类用于存储和管理元素对象;具体聚合类实现了在抽象聚合类中声明的 createIterator() 方法,该方法返回一个与该具体聚合类对应的具体迭代器 ConcreteIterator 实例。
  • 需要注意的是抽象迭代器接口的设计非常重要,一方面需要充分满足各种遍历操作的要求,尽量为各种遍历方法都提供声明,另一方面又不能包含太多方法,接口中方法太多将给子类的实现带来麻烦。因此,可以考虑使用抽象类来设计抽象迭代器,在抽象类中为每一个方法提供一个空的默认实现。
  • 迭代器模式是一种使用频率非常高的设计模式,通过引入迭代器可以将数据的遍历功能从聚合对象中分离出来,聚合对象只负责存储数据,而遍历数据由迭代器来完成。
  • 迭代器模式的主要优点是支持以不同的方式遍历一个聚合对象,简化了聚合类;主要缺点是由于将存储数据和遍历数据的职责分离,增加新的聚合类需要对应增加新的迭代器类,类的个数成对增加,这在一定程度上增加了系统的复杂性,而且抽象迭代器的设计难度较大,需要充分考虑到系统将来的扩展。
  • 迭代器模式适用情景包括:访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示;需要为一个聚合对象提供多种遍历方式;为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口,在该接口的实现类中为不同的聚合结构提供不同的遍历方式,而客户端可以一致性地操作该接口。

中介者模式 (Mediator Pattern)

中介者模式(Mediator Pattern):用一个中介对象(中介者)来封装一系列的对象交互,中介者使各对象不需要显式地相互引用,从而使其耦合松散,而且可以独立地改变它们之间的交互。中介者模式又称为调停者模式,它是一种对象行为型模式。

  • 中介者模式包含四个角色:抽象中介者用于定义一个接口,该接口用于与各同事对象之间的通信;具体中介者是抽象中介者的子类,通过协调各个同事对象来实现协作行为,了解并维护它的各个同事对象的引用;抽象同事类定义各同事的公有方法;具体同事类是抽象同事类的子类,每一个同事对象都引用一个中介者对象;每一个同事对象在需要和其他同事对象通信时,先与中介者通信,通过中介者来间接完成与其他同事类的通信;在具体同事类中实现了在抽象同事类中定义的方法。
  • 通过引入中介者对象,可以将系统的网状结构变成以中介者为中心的星形结构,中介者承担了中转作用和协调作用。中介者类是中介者模式的核心,它对整个系统进行控制和协调,简化了对象之间的交互,还可以对对象间的交互进行进一步的控制。
  • 中介者模式的主要优点在于简化了对象之间的交互,将各同事解耦,还可以减少子类生成,对于复杂的对象之间的交互,通过引入中介者,可以简化各同事类的设计和实现;中介者模式主要缺点在于具体中介者类中包含了同事之间的交互细节,可能会导致具体中介者类非常复杂,使得系统难以维护。
  • 中介者模式适用情况包括:系统中对象之间存在复杂的引用关系,产生的相互依赖关系结构混乱且难以理解;一个对象由于引用了其他很多对象并且直接和这些对象通信,导致难以复用该对象;想通过一个中间类来封装多个类中的行为,而又不想生成太多的子类。

备忘录模式 (Memento Pattern)

备忘录模式(Memento Pattern):在不破坏封装的前提下,捕获一个对象的内部状态,并在该对象之外保存这个状态,这样可以在以后将对象恢复到原先保存的状态。它是一种对象行为型模式,其别名为Token。

  • 备忘录模式包含三个角色:原发器用于创建一个备忘录;备忘录存储原发器的内部状态,根据原发器来决定保存哪些内部状态;负责人又称为管理者,它负责保存备忘录,但是不能对备忘录的内容进行操作或检查。
  • 在设计备忘录类时需要考虑其封装性,除了原发器类,不允许其他类来调用备忘录类的构造函数与相关方法,如果不考虑封装性,允许其他类调用setState()等方法,将导致在备忘录中保存的历史状态发生改变,通过撤销操作所恢复的状态就不再是真实的历史状态,备忘录模式也就失去了本身的意义。
  • 备忘录模式的主要优点是提供了一种状态恢复的实现机制,使得用户可以方便地回到一个特定的历史步骤;主要缺点是资源消耗过大,如果需要保存的原发器类的成员变量太多,就不可避免需要占用大量的存储空间,每保存一次对象的状态都需要消耗一定的系统资源。
  • 备忘录模式适用情景包括:保存一个对象在某一个时刻的全部状态或部分状态,这样以后需要时它能够恢复到先前的状态,实现撤销操作;防止外界对象破坏一个对象历史状态的封装性,避免将对象历史状态的实现细节暴露给外界对象。

观察者模式 (Observer Pattern)

观察者模式(Observer Pattern):定义对象之间的一种一对多依赖关系,使得每当一个对象状态发生改变时,其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式的别名包括发布-订阅(Publish/Subscribe)模式、模型-视图(Model/View)模式、源-监听器(Source/Listener)模式或从属者(Dependents)模式。观察者模式是一种对象行为型模式。

  • 观察者模式包含四个角色:目标又称为主题,它是指被观察的对象;具体目标是目标类的子类,通常它包含有经常发生改变的数据,当它的状态发生改变时,向它的各个观察者发出通知;观察者将对观察目标的改变做出反应;在具体观察者中维护一个指向具体目标对象的引用,它存储具体观察者的有关状态,这些状态需要和具体目标的状态保持一致。
  • 观察者模式定义了一种一对多的依赖关系,让多个观察者对象同时监听某一个目标对象,当这个目标对象的状态发生变化时,会通知所有观察者对象,使它们能够自动更新。
  • 观察者模式的主要优点在于可以实现表示层和数据逻辑层的分离,并在观察目标和观察者之间建立一个抽象的耦合,支持广播通信;其主要缺点在于如果一个观察目标对象有很多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,而且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。
  • 观察者模式适用情况包括: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;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;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。

状态模式 (State Pattern)

状态模式(State Pattern):允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为,对象看起来似乎修改了它的类。其别名为状态对象(Objects for States),状态模式是一种对象行为型模式。

  • 状态模式包含三个角色:环境类又称为上下文类,它是拥有状态的对象,在环境类中维护一个抽象状态类 State 的实例,这个实例定义当前状态,在具体实现时,它是一个 State 子类的对象,可以定义初始状态;抽象状态类用于定义一个接口以封装与环境类的一个特定状态相关的行为;具体状态类是抽象状态类的子类,每一个子类实现一个与环境类的一个状态相关的行为,每一个具体状态类对应环境的一个具体状态,不同的具体状态类其行为有所不同。
  • 状态模式描述了对象状态的变化以及对象如何在每一种状态下表现出不同的行为。
  • 状态模式的主要优点在于封装了转换规则,并枚举可能的状态,它将所有与某个状态有关的行为放到一个类中,并且可以方便地增加新的状态,只需要改变对象状态即可改变对象的行为,还可以让多个环境对象共享一个状态对象,从而减少系统中对象的个数;其缺点在于使用状态模式会增加系统类和对象的个数,且状态模式的结构与实现都较为复杂,如果使用不当将导致程序结构和代码的混乱,对于可以切换状态的状态模式不满足“开闭原则”的要求。
  • 状态模式适用情况包括:对象的行为依赖于它的状态(属性)并且可以根据它的状态改变而改变它的相关行为;代码中包含大量与对象状态有关的条件语句,这些条件语句的出现,会导致代码的可维护性和灵活性变差,不能方便地增加和删除状态,使客户类与类库之间的耦合增强。

策略模式 (Strategy Pattern)

策略模式(Strategy Pattern):定义一系列算法类,将每一个算法封装起来,并让它们可以相互替换,策略模式让算法独立于使用它的客户而变化,也称为政策模式(Policy)。策略模式是一种对象行为型模式。

  • 策略模式包含三个角色:环境类在解决某个问题时可以采用多种策略,在环境类中维护一个对抽象策略类的引用实例;抽象策略类为所支持的算法声明了抽象方法,是所有策略类的父类;具体策略类实现了在抽象策略类中定义的算法。
  • 策略模式是对算法的封装,它把算法的责任和算法本身分割开,委派给不同的对象管理。策略模式通常把一个系列的算法封装到一系列的策略类里面,作为一个抽象策略类的子类。
  • 策略模式主要优点在于对“开闭原则”的完美支持,在不修改原有系统的基础上可以更换算法或者增加新的算法,它很好地管理算法族,提高了代码的复用性,是一种替换继承,避免多重条件转移语句的实现方式;其缺点在于客户端必须知道所有的策略类,并理解其区别,同时在一定程度上增加了系统中类的个数,可能会存在很多策略类。
  • 策略模式适用情况包括: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,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;一个系统需要动态地在几种算法中选择一种;避免使用难以维护的多重条件选择语句;希望在具体策略类中封装算法和与相关的数据结构。

模板方法模式 (Template Method Pattern)

模板方法模式(Template Method Pattern):定义一个操作中算法的框架,而将一些步骤延迟到子类中。模板方法模式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。模板方法模式是一种基于继承的代码复用技术,它是一种类行为型模式。

  • 模板方法模式包含两个角色:抽象类定义了一系列基本操作,这些基本操作可以是具体的,也可以是抽象的,每一个基本操作对应算法的一个步骤,在其子类中可以重定义或实现这些步骤;具体子类是抽象类的子类,用于实现在父类中声明的抽象基本操作以完成子类特定算法的步骤,也可以覆盖在父类中已经实现的具体基本操作。
  • 在模板方法模式中,由于面向对象的多态性,子类对象在运行时将覆盖父类对象,子类中定义的方法也将覆盖父类中定义的方法,因此程序在运行时,具体子类的基本方法将覆盖父类中定义的基本方法,子类的钩子方法也将覆盖父类的钩子方法,从而可以通过在子类中实现的钩子方法对父类方法的执行进行约束,实现子类对父类行为的反向控制。
  • 模板方法模式的主要优点是在父类中形式化地定义一个算法,而由它的子类来实现细节的处理,在子类实现详细的处理算法时并不会改变算法中步骤的执行次序,将公共行为放在父类中,而通过其子类来实现不同的行为,可实现一种反向控制结构,通过子类覆盖父类的钩子方法来决定某一特定步骤是否需要执行,更换和增加新的子类很方便,符合单一职责原则和开闭原则;其主要缺点是需要为每一个基本方法的不同实现提供一个子类,如果父类中可变的基本方法太多,将会导致类的个数增加,系统更加庞大,设计也更加抽象。
  • 模板方法模式适用情景包括:对一些复杂的算法进行分割,将其算法中固定不变的部分设计为模板方法和父类具体方法,而一些可以改变的细节由其子类来实现;需要通过子类来决定父类算法中某个步骤是否执行,实现子类对父类的反向控制。

访问者模式 (Visitor Pattern)

访问者模式(Visitor Pattern):提供一个作用于某对象结构中的各元素的操作表示,它使我们可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。访问者模式是一种对象行为型模式。

  • 访问者模式包含五个角色:抽象访问者为对象结构中每一个具体元素类声明一个访问操作;具体访问者实现了每个由抽象访问者声明的操作;抽象元素一般是抽象类或者接口,它定义一个 accept() 方法,该方法通常以一个抽象访问者作为参数;具体元素实现了 accept() 方法,在accept()方法中调用访问者的访问方法以便完成对一个元素的操作;对象结构是一个元素的集合,它用于存放元素对象,并且提供了遍历其内部元素的方法。
  • 访问者模式中对象结构存储了不同类型的元素对象,以供不同访问者访问。访问者模式包括两个层次结构,一个是访问者层次结构,提供了抽象访问者和具体访问者,一个是元素层次结构,提供了抽象元素和具体元素。相同的访问者可以以不同的方式访问不同的元素,相同的元素可以接受不同访问者以不同访问方式访问。在访问者模式中,增加新的访问者无须修改原有系统,系统具有较好的可扩展性。
  • 访问者模式的主要优点是增加新的访问操作很方便,让用户能够在不修改现有元素类层次结构的情况下,定义作用于该层次结构的操作;其缺点是增加新的元素类很困难,破坏了封装性。
  • 访问者模式适用情景包括:个对象结构包含多个类型的对象,希望对这些对象实施一些依赖其具体类型的操作;需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作,而需要避免让这些操作 “污染” 这些对象的类,也不希望在增加新操作时修改这些类;对象结构中对象对应的类很少改变,但经常需要在此对象结构上定义新的操作。

参考资料:
史上最全设计模式导学目录(完整版)
设计模式 | 菜鸟教程
图说设计模式

C++
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