学习设计模式(2)

创建型模式

抽象工厂模式(abstract facroty)

3.1模式动机
  • 在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品,每一个具体工厂对应一种具体产品,工厂方法也具有唯一性,一般情况下,一个具体工厂中只有一个工厂方法或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们需要一个工厂可以提供多个产品对象,而不是单一的产品对象。两个概念
  • 产品等级结构:产品等级结构即产品的继承结构,如一个抽象类是电视机,其子类有海尔电视机、海信电视机、TCL电视机,则抽象电视机与具体品牌的电视机之间构成了一个产品等级结构,抽象电视机是父类,而具体品牌的电视机是其子类。
  • 产品族 :在抽象工厂模式中,产品族是指由同一个工厂生产的,位于不同产品等级结构中的一组产品,如海尔电器工厂生产的海尔电视机、海尔电冰箱,海尔电视机位于电视机产品等级结构中,海尔电冰箱位于电冰箱产品等级结构中。
  • 当系统所提供的工厂所需生产的具体产品并不是一个简单的对象,而是多个位于不同产品等级结构中属于不同类型的具体产品时需要使用抽象工厂模式。
  • 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,一个工厂等级结构可以负责多个不同产品等级结构中的产品对象的创建 。当一个工厂等级结构可以创建出分属于不同产品等级结构的一个产品族中的所有对象时,抽象工厂模式比工厂方法模式更为简单、有效率。
3.2模式定义
  • 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。
3.3模式结构

抽象工厂模式包含如下角色:

  • AbstractFactory:抽象工厂
  • ConcreteFactory:具体工厂
  • AbstractProduct:抽象产品
  • Product:具体产品
AbatractFactory.jpg
3.4代码分析
#include <iostream>
#include "AbstractFactory.h"
#include "AbstractProductA.h"
#include "AbstractProductB.h"
#include "ConcreteFactory1.h"
#include "ConcreteFactory2.h"
using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
    AbstractFactory * fc = new ConcreteFactory1();
    AbstractProductA * pa =  fc->createProductA();
    AbstractProductB * pb = fc->createProductB();
    pa->use();
    pb->eat();
    
    AbstractFactory * fc2 = new ConcreteFactory2();
    AbstractProductA * pa2 =  fc2->createProductA();
    AbstractProductB * pb2 = fc2->createProductB();
    pa2->use();
    pb2->eat(); ```

include "ConcreteFactory1.h"

include "ProductA1.h"

include "ProductB1.h"

AbstractProductA * ConcreteFactory1::createProductA(){
return new ProductA1();
}

AbstractProductB * ConcreteFactory1::createProductB(){
return new ProductB1();
}

include "ProductA1.h"

include <iostream>

using namespace std;
void ProductA1::use(){
cout << "use Product A1" << endl;
}

######3.5优点
- 抽象工厂模式隔离了具体类的生成,使得客户并不需要知道什么被创建。由于这种隔离,更换一个具体工厂就变得相对容易。所有的具体工厂都实现了抽象工厂中定义的那些公共接口,因此只需改变具体工厂的实例,就可以在某种程度上改变整个软件系统的行为。另外,应用抽象工厂模式可以实现高内聚低耦合的设计目的,因此抽象工厂模式得到了广泛的应用。
- 当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时,它能够保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。这对一些需要根据当前环境来决定其行为的软件系统来说,是一种非常实用的设计模式。
- 增加新的具体工厂和产品族很方便,无须修改已有系统,符合“开闭原则”。

######3.6缺点
在以下情况下可以使用抽象工厂模式:

- 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,这对于所有类型的工厂模式都是重要的。
- 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,这一约束必须在系统的设计中体现出来。
- 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。

######3.7模式应用

在很多软件系统中需要更换界面主题,要求界面中的按钮、文本框、背景色等一起发生改变时,可以使用抽象工厂模式进行设计。

######3.8模式扩展

开闭原则”的倾斜性
- “开闭原则”要求系统对扩展开放,对修改封闭,通过扩展达到增强其功能的目的。对于涉及到多个产品族与多个产品等级结构的系统,其功能增强包括两方面:
 - 增加产品族:对于增加新的产品族,工厂方法模式很好的支持了“开闭原则”,对于新增加的产品族,只需要对应增加一个新的具体工厂即可,对已有代码无须做任何修改。
 - 增加新的产品等级结构:对于增加新的产品等级结构,需要修改所有的工厂角色,包括抽象工厂类,在所有的工厂类中都需要增加生产新产品的方法,不能很好地支持“开闭原则”。

- 抽象工厂模式的这种性质称为“开闭原则”的倾斜性,抽象工厂模式以一种倾斜的方式支持增加新的产品,它为新产品族的增加提供方便,但不能为新的产品等级结构的增加提供这样的方便。

工厂模式的退化
- 当抽象工厂模式中每一个具体工厂类只创建一个产品对象,也就是只存在一个产品等级结构时,抽象工厂模式退化成工厂方法模式;当工厂方法模式中抽象工厂与具体工厂合并,提供一个统一的工厂来创建产品对象,并将创建对象的工厂方法设计为静态方法时,工厂方法模式退化成简单工厂模式。

######3.9 总结
- 抽象工厂模式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。

##建造者模式

######4.1模式动机

无论是在现实世界中还是在软件系统中,都存在一些复杂的对象,它们拥有多个组成部分,如汽车,它包括车轮、方向盘、发送机等各种部件。而对于大多数用户而言,无须知道这些部件的装配细节,也几乎不会使用单独某个部件,而是使用一辆完整的汽车,可以通过建造者模式对其进行设计与描述,建造者模式可以将部件和其组装过程分开,一步一步创建一个复杂的对象。用户只需要指定复杂对象的类型就可以得到该对象,而无须知道其内部的具体构造细节。
在软件开发中,也存在大量类似汽车一样的复杂对象,它们拥有一系列成员属性,这些成员属性中有些是引用类型的成员对象。而且在这些复杂对象中,还可能存在一些限制条件,如某些属性没有赋值则复杂对象不能作为一个完整的产品使用;有些属性的赋值必须按照某个顺序,一个属性没有赋值之前,另一个属性可能无法赋值等。
复杂对象相当于一辆有待建造的汽车,而对象的属性相当于汽车的部件,建造产品的过程就相当于组合部件的过程。由于组合部件的过程很复杂,因此,这些部件的组合过程往往被“外部化”到一个称作建造者的对象里,建造者返还给客户端的是一个已经建造完毕的完整产品对象,而用户无须关心该对象所包含的属性以及它们的组装方式,这就是建造者模式的模式动机。
######4.2模式定义
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。根据中文翻译的不同,建造者模式又可以称为生成器模式。

######4.3模式结构
- Builder:抽象建造者
- ConcreteBuilder:具体建造者
- Director:指挥者
- Product:产品角色

![Builder.jpg](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/4979809-2f2dc1764d6f3108.jpg?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

######4.4代码

include "ConcreteBuilder.h"

ConcreteBuilder::ConcreteBuilder(){

}
ConcreteBuilder::~ConcreteBuilder(){

}
void ConcreteBuilder::buildPartA(){
m_prod->setA("A Style "); //不同的建造者,可以实现不同产品的建造
}
void ConcreteBuilder::buildPartB(){
m_prod->setB("B Style ");
}
void ConcreteBuilder::buildPartC(){
m_prod->setC("C style ");
}

include "Director.h"

Director::Director(){
}
Director::~Director(){
}
Product* Director::constuct(){
m_pbuilder->buildPartA();
m_pbuilder->buildPartB();
m_pbuilder->buildPartC();

return m_pbuilder->getResult();

}
void Director::setBuilder(Builder* buider){
m_pbuilder = buider;
}

include <iostream>

include "ConcreteBuilder.h"

include "Director.h"

include "Builder.h"

include "Product.h"

using namespace std;

int main(int argc, char *argv[])
{
ConcreteBuilder * builder = new ConcreteBuilder();
Director director;
director.setBuilder(builder);
Product * pd = director.constuct();
pd->show();

delete builder;
delete pd;
return 0;

}

######4.5模式分析
抽象建造者类中定义了产品的创建方法和返回方法;

建造者模式的结构中还引入了一个指挥者类Director,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

在客户端代码中,无须关心产品对象的具体组装过程,只需确定具体建造者的类型即可,建造者模式将复杂对象的构建与对象的表现分离开来,这样使得同样的构建过程可以创建出不同的表现。
######4.6优点
- 在建造者模式中, 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, 用户使用不同的具体建造者即可得到不同的产品对象 。
- 可以更加精细地控制产品的创建过程 。将复杂产品的创建步骤分解在不同的方法中,使得创建过程更加清晰,也更方便使用程序来控制创建过程。
- 增加新的具体建造者无须修改原有类库的代码,指挥者类针对抽象建造者类编程,系统扩展方便,符合“开闭原则”。

######4.7缺点
- 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,如果产品之间的差异性很大,则不适合使用建造者模式,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。

######4.8适用环境

在以下情况下可以使用建造者模式:

- 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。在建造者模式中引入了指挥者类,将创建过程封装在指挥者类中,而不在建造者类中。
- 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的产品。

######4.9模式应用

在很多游戏软件中,地图包括天空、地面、背景等组成部分,人物角色包括人体、服装、装备等组成部分,可以使用建造者模式对其进行设计,通过不同的具体建造者创建不同类型的地图或人物。

#######4.10模式扩展
建造者模式的简化:
省略抽象建造者角色:如果系统中只需要一个具体建造者的话,可以省略掉抽象建造者。
省略指挥者角色:在具体建造者只有一个的情况下,如果抽象建造者角色已经被省略掉,那么还可以省略指挥者角色,让
Builder角色扮演指挥者与建造者双重角色。

建造者模式与抽象工厂模式的比较:

与抽象工厂模式相比, 建造者模式返回一个组装好的完整产品 ,而 抽象工厂模式返回一系列相关的产品,这些产品位于不同的产品等级结构,构成了一个产品族。
在抽象工厂模式中,客户端实例化工厂类,然后调用工厂方法获取所需产品对象,而在建造者模式中,客户端可以不直接调用建造者的相关方法,而是通过指挥者类来指导如何生成对象,包括对象的组装过程和建造步骤,它侧重于一步步构造一个复杂对象,返回一个完整的对象。
如果将抽象工厂模式看成 汽车配件生产工厂 ,生产一个产品族的产品,那么建造者模式就是一个 汽车组装工厂 ,通过对部件的组装可以返回一辆完整的汽车。

######4.11总结
- 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。

##单例模式

######5.1模式动机
- 对于系统中的某些类来说,只有一个实例很重要,例如,一个系统中可以存在多个打印任务,但是只能有一个正在工作的任务;一个系统只能有一个窗口管理器或文件系统;一个系统只能有一个计时工具或ID(序号)生成器。
- 如何保证一个类只有一个实例并且这个实例易于被访问呢?定义一个全局变量可以确保对象随时都可以被访问,但不能防止我们实例化多个对象。
一个更好的解决办法是让类自身负责保存它的唯一实例。这个类可以保证没有其他实例被创建,并且它可以提供一个访问该实例的方法。这就是单例模式的模式动机。

######5.2.模式定义
- 单例模式(Singleton Pattern):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。单例模式又名单件模式或单态模式。
######5.3模式结构

- singleton:单例

![Singleton.jpg](http://upload-images.jianshu.io/upload_images/4979809-1ccbf7a29a945a16.jpg?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

######5.3代码

include "Singleton.h"

include <iostream>

using namespace std;
Singleton * Singleton::instance = NULL;
Singleton::Singleton(){
}

Singleton::~Singleton(){
delete instance;
}
Singleton* Singleton::getInstance(){
if (instance == NULL)
{
instance = new Singleton();
}

return  instance;

}
void Singleton::singletonOperation(){
cout << "singletonOperation" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
Singleton * sg = Singleton::getInstance();
sg->singletonOperation();
return 0;
}

######5.6模式分析
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。单例模式包含的角色只有一个,就是单例类——Singleton。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。

在单例模式的实现过程中,需要注意如下三点:

- 单例类的构造函数为私有;
- 提供一个自身的静态私有成员变量;
- 提供一个公有的静态工厂方法

######5.7实例

在操作系统中,打印池(Print Spooler)是一个用于管理打印任务的应用程序,通过打印池用户可以删除、中止或者改变打印任务的优先级,在一个系统中只允许运行一个打印池对象,如果重复创建打印池则抛出异常。现使用单例模式来模拟实现打印池的设计。

######5.8. 优点
- 提供了对唯一实例的受控访问。因为单例类封装了它的唯一实例,所以它可以严格控制客户怎样以及何时访问它,并为设计及开发团队提供了共享的概念。
- 由于在系统内存中只存在一个对象,因此可以节约系统资源,对于一些需要频繁创建和销毁的对象,单例模式无疑可以提高系统的性能。
- 允许可变数目的实例。我们可以基于单例模式进行扩展,使用与单例控制相似的方法来获得指定个数的对象实例。

#####5.9. 缺点
- 由于单例模式中没有抽象层,因此单例类的扩展有很大的困难。
- 单例类的职责过重,在一定程度上违背了“单一职责原则”。因为单例类既充当了工厂角色,提供了工厂方法,同时又充当了产品角色,包含一些业务方法,将产品的创建和产品的本身的功能融合到一起。
- 滥用单例将带来一些负面问题,如为了节省资源将数据库连接池对象设计为单例类,可能会导致共享连接池对象的程序过多而出现连接池溢出;现在很多面向对象语言(如Java、C#)的运行环境都提供了自动垃圾回收的技术,因此,如果实例化的对象长时间不被利用,系统会认为它是垃圾,会自动销毁并回收资源,下次利用时又将重新实例化,这将导致对象状态的丢失。

######5.10. 适用环境
在以下情况下可以使用单例模式:
系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。
客户调用类的单个实例只允许使用一个公共访问点,除了该公共访问点,不能通过其他途径访问该实例。
在一个系统中要求一个类只有一个实例时才应当使用单例模式。反过来,如果一个类可以有几个实例共存,就需要对单例模式进行改进,使之成为多例模式

######5.11. 模式应用
一个具有自动编号主键的表可以有多个用户同时使用,但数据库中只能有一个地方分配下一个主键编号,否则会出现主键重复,因此该主键编号生成器必须具备唯一性,可以通过单例模式来实现。



######5.13. 总结
- 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。






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