一文读懂！软件设计模式的原理与应用

一、软件设计模式的原理

1.单一责任原则（SRP）

• 含义：一个类应该仅有一个引起它变化的原因，即一个类只负责一项职责。
• 作用：将不同的职责分离到不同的类中，避免一个类承担过多的功能，使得类的功能明确、简洁，易于理解和维护。当某个职责发生变化时，只需要在对应的类中进行修改，不会影响到其他职责和类。
• 示例：在一个电商系统中，用户管理类只负责处理用户的注册、登录、信息修改等与用户相关的操作，而订单处理、商品管理等功能则由其他专门的类来负责。这样，当用户管理功能需要扩展或修改时，不会对订单处理和商品管理等功能产生影响。

2.开闭原则（OCP）

• 含义：软件实体（类、模块、函数等）应该对扩展开放，对修改关闭。即在不修改现有代码的前提下，通过扩展来增加新的功能。
• 作用：提高软件的可维护性和可扩展性。当软件系统需要添加新功能时，能够在不破坏原有系统结构和功能的基础上进行扩展，避免了因修改现有代码而可能引入的错误，同时也使得软件系统更具灵活性和适应性。
• 示例：在一个图形绘制系统中，已经实现了绘制圆形、矩形等基本图形的功能。当需要增加绘制三角形的功能时，按照开闭原则，不应该直接修改原有的图形绘制代码，而是通过增加一个新的三角形类，实现与其他图形类相同的绘制接口，来完成新功能的扩展。

3.里氏替换原则（LSP）

• 含义：所有派生类（子类）对象都应该能够替换其基类（父类）对象，而不会影响程序的正确性。
• 作用：确保了继承关系的合理性和稳定性，使得在使用继承时，子类能够安全地替代父类，保证了基于父类编写的代码在使用子类对象时也能正确运行，维护了程序的可靠性和可扩展性。
• 示例：在一个几何图形系统中，长方形是四边形的一种特殊情况，遵循里氏替换原则，在程序中凡是使用四边形的地方，都应该可以用长方形来替换，而不会出现错误。例如，计算图形面积的函数，接受一个四边形对象作为参数，那么也应该能够接受长方形对象作为参数，并正确计算出长方形的面积。

4.依赖倒置原则（DIP）

• 含义：高层模块不应该依赖于低层模块，二者都应该依赖于抽象；抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。即通过抽象类或接口来定义依赖关系，而不是直接依赖于具体的实现类。
• 作用：降低模块之间的耦合度，提高系统的可维护性和可扩展性。使得高层模块和低层模块之间的依赖关系更加灵活，当低层模块的实现发生变化时，只要其遵循相同的抽象接口，高层模块就不需要进行修改。
• 示例：在一个电商系统中，业务逻辑层（高层模块）不应该直接依赖于数据库访问层（低层模块）的具体实现，而是通过定义一个抽象的数据库访问接口，业务逻辑层依赖于这个抽象接口来进行数据的读取和存储操作。这样，当数据库的类型或存储方式发生变化时，只需要在数据库访问层实现新的具体类，并实现相同的抽象接口，业务逻辑层无需修改代码即可适应变化。

5.接口隔离原则（ISP）

• 含义：客户端不应该依赖它不需要的接口，一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
• 作用：避免接口的臃肿和不必要的依赖，使得类之间的依赖关系更加清晰和简洁。每个类只需要实现它所需要的接口方法，减少了类之间的耦合度，提高了软件的可维护性和可扩展性。
• 示例：在一个音乐播放系统中，有播放音乐、暂停音乐、快进音乐等功能。对于一个只需要实现播放和暂停功能的简单音乐播放器类，不应该强迫它依赖于包含所有播放、暂停、快进等功能的完整接口，而是应该为其提供一个只包含播放和暂停方法的精简接口，这样可以使该类更加专注于自身的功能，并且与其他功能的耦合度更低。

6.迪米特法则（LoD）

• 含义：一个对象应该对其他对象有最少的了解，只与直接的朋友通信，而避免和陌生人通信。这里的 “朋友” 指的是对象的成员变量、方法的参数和返回值中的对象，以及方法内部创建的对象等；“陌生人” 则是指在对象的方法中出现，但不符合上述 “朋友” 定义的对象。该法则强调了对象之间的松耦合关系，以降低软件系统中各个模块之间的相互依赖程度。
• 作用：
  • 降低耦合度：使软件系统中的各个模块相对独立，当某个模块发生变化时，对其他模块的影响被控制在较小范围内，提高了软件的可维护性和可扩展性。例如，在一个复杂的企业级应用中，如果不同模块之间严格遵循迪米特法则，那么当一个业务模块的功能需要调整时，不会因为与其他模块的紧密耦合而导致大面积的代码修改。
  • 提高可理解性：每个对象的职责和与其他对象的交互关系更加明确，开发人员能够更清晰地理解代码的逻辑结构和功能，有助于提高软件开发和维护的效率。当阅读某个类的代码时，只需关注其与直接朋友的交互，而无需了解过多无关对象的细节，使代码的可读性更强。
• 示例：
  假设你正在开发一个学校管理系统，其中有学生（Student）、班级（Class）、学校（School）三个类。学生属于某个班级，班级又属于某个学校。

class School {
    private String schoolName;

    public School(String schoolName) {
        this.schoolName = schoolName;
    }

    public String getSchoolName() {
        return schoolName;
    }
}

class Class {
    private String className;
    private School school;

    public Class(String className, School school) {
        this.className = className;
        this.school = school;
    }

    public String getClassName() {
        return className;
    }

    public School getSchool() {
        return school;
    }
}

class Student {
    private String studentName;
    private Class clazz;

    public Student(String studentName, Class clazz) {
        this.studentName = studentName;
        this.clazz = clazz;
    }

    public String getStudentName() {
        return studentName;
    }

    // 学生获取所在学校名称的方法，遵循迪米特法则
    public String getSchoolName() {
        return clazz.getSchool().getSchoolName();
    }

    // 违反迪米特法则的示例，如果学生类中直接有以下方法
    // public String getSchoolNameDirectly(School school) {
    //     return school.getSchoolName();
    // }
    // 那么学生类就与学校类产生了直接的依赖关系，不符合迪米特法则，
    // 因为学生类不应该直接知道学校类的信息，而应该通过它的直接朋友班级类来获取相关信息。
}

在上述代码中，Student 类通过它的直接朋友 Class 类来获取学校名称，而不是直接与 School 类进行交互，这遵循了迪米特法则。如果 Student 类中有直接与 School 类交互的方法，就会增加 Student 类与 School 类之间的耦合度，违反迪米特法则。

二、软件设计模式的应用

1.创建型模式

• 单例模式
  • 定义：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点来访问这个实例。
  • 应用场景：适用于需要全局唯一访问点或共享资源的情况。例如，在一个系统中，日志记录器需要在多个地方进行日志记录，使用单例模式可以保证整个系统中只有一个日志记录器实例，所有的日志都记录到同一个地方，方便管理和维护。另外，数据库连接池、系统配置信息等也常采用单例模式来实现，确保在整个系统中能够统一访问和管理这些资源。
• 工厂模式
  • 定义：提供一个创建对象的工厂类，将对象的创建和使用分离，通过工厂类来根据不同的条件创建不同类型的对象。
  • 应用场景：当创建对象的过程比较复杂，或者需要根据不同的条件创建不同类型的对象时，工厂模式非常有用。例如，在一个游戏开发中，根据玩家选择的不同角色类型，使用工厂模式来创建相应的角色对象，每个角色可能有不同的属性、技能和行为，工厂类负责根据玩家的选择创建出正确的角色对象，并进行初始化设置。

2.结构型模式

• 适配器模式
  • 定义：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以协同工作。
  • 应用场景：在软件系统中，经常会遇到需要使用一些现有类，但这些类的接口与我们的需求不匹配的情况。例如，有一个旧的文件读取类，它的接口是按照特定的文件格式进行读取的，而现在我们需要读取一种新的文件格式，但是又不想修改旧的文件读取类的代码。这时可以使用适配器模式，创建一个适配器类，将新文件格式的读取接口适配到旧的文件读取类的接口上，使得旧的文件读取类能够用于读取新的文件格式。
• 代理模式
  • 定义：为其他对象提供一个代理对象，代理对象控制对原对象的访问，在访问原对象时可以进行一些额外的处理，如权限验证、缓存、日志记录等。
  • 应用场景：当需要控制对某个对象的访问，或者在访问对象前后需要进行一些额外的操作时，代理模式是一个很好的选择。例如，在网络访问中，当访问一些国外网站时，可能会通过代理服务器来进行访问，代理服务器就相当于代理对象，它可以对请求进行过滤、缓存等操作，然后再将请求转发到目标网站，同时也可以隐藏客户端的真实 IP 地址，提高安全性。

3.行为型模式

• 观察者模式
  • 定义：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。
  • 应用场景：在许多软件系统中，经常会出现对象之间的状态依赖关系。例如，在社交媒体平台上，当一个用户发布了一条新动态，关注他的其他用户会收到通知，这些关注者就是观察者，发布动态的用户就是被观察的对象。当被观察的对象（用户发布动态）状态发生变化时，所有的观察者（关注者）都会得到通知并进行相应的操作（如更新动态列表、显示通知等）。此外，在图形界面应用程序中，当一个组件的状态发生变化时，其他相关组件需要自动更新，也可以使用观察者模式来实现。
• 策略模式
  • 定义：定义一系列的算法，将它们一个个封装起来，并且使它们可以相互替换，使得算法的变化独立于使用它的客户。
  • 应用场景：在软件系统中，当需要根据不同的情况选择不同的算法或行为时，策略模式非常适用。例如，在一个电商系统中，根据不同的促销活动，需要选择不同的折扣计算策略，如满减策略、打折策略、赠品策略等。通过策略模式，可以将这些不同的折扣计算策略封装成不同的策略类，在需要计算折扣时，根据当前的促销活动选择相应的策略类来进行计算，而不需要在大量的条件判断语句中编写不同的折扣计算逻辑，使得代码更加清晰、易于维护和扩展。