零基础设计模式——结构型模式 - 外观模式
第三部分：结构型模式 - 5. 外观模式 (Facade Pattern)
在学习了装饰器模式如何动态地为对象添加功能后，我们来探讨外观模式。外观模式隐藏系统的复杂性，并向客户端提供了一个客户端可以访问系统的接口。这种类型的设计模式属于结构型模式，它向现有的系统添加一个接口，来隐藏系统的复杂性。
- 核心思想：为子系统中的一组接口提供一个统一的高层接口，使得子系统更容易使用。
外观模式 (Facade Pattern)
“为子系统中的一组接口提供一个统一的、高层的接口，使得子系统更容易使用。” (Provide a unified interface to a set of interfaces in a subsystem. Facade defines a higher-level interface that makes the subsystem easier to use.)
想象一下启动一台家庭影院系统。你可能需要按顺序执行多个操作：打开电视机、打开DVD播放器、打开音响、调暗灯光、放下投影幕布等。每个设备都有自己的控制接口，操作起来很繁琐。
如果有一个“一键观影”的遥控器按钮（外观），按一下它，它内部会自动协调所有这些设备完成上述所有步骤。这个按钮就是外观，它简化了与复杂家庭影院子系统的交互。
- 子系统 (Subsystem)：电视机、DVD播放器、音响、灯光控制器、投影幕布控制器等，它们各自有复杂的接口。
- 外观 (Facade)：家庭影院遥控器上的“一键观影”功能，它提供了一个简单的
watchMovie()方法。
1. 目的 (Intent)
外观模式的主要目的：
- 简化接口：为复杂的子系统提供一个简单、统一的入口点。客户端只需要与外观对象交互，而不需要了解子系统内部的复杂结构和依赖关系。
- 降低耦合：将客户端与子系统解耦。子系统的内部实现可以改变，只要外观接口不变，客户端代码就不受影响。
- 分层：帮助构建分层系统。外观可以作为不同层之间的通信接口。
2. 生活中的例子 (Real-world Analogy)
-
电脑开机：
- 当你按下电脑的电源按钮时，实际上触发了一系列复杂的操作：CPU启动、内存检查、硬盘加载操作系统、初始化各种硬件驱动等。
- 电源按钮（外观）为你屏蔽了这些底层细节，提供了一个简单的
powerOn()接口。
-
去餐厅点餐：
- 你告诉服务员（外观）你要点什么菜。
- 服务员会去协调厨房（子系统：厨师、配菜员、洗碗工等）为你准备食物。
- 你不需要直接和厨师或配菜员打交道，服务员简化了这个过程。
-
汽车的一键启动：
- 按下“Start”按钮，汽车内部会完成点火、供油、检查传感器等一系列操作。
- “Start”按钮（外观）简化了启动汽车的复杂过程。
-
银行的客服电话或柜台：
- 你想办理一项业务（如查询余额、转账、挂失）。
- 你联系客服（外观）或去柜台（外观），他们会调用银行内部的多个系统（账户系统、交易系统、风控系统等）来完成你的请求。
3. 结构 (Structure)
外观模式通常包含以下角色：
- Facade (外观类)：
- 知道哪些子系统类负责处理请求。
- 将客户端的请求代理给适当的子系统对象。
- 它不添加任何新功能，只是封装调用。
- Subsystem classes (子系统类)：
- 实现子系统的功能。
- 处理由 Facade 对象指派的任务。
- 它们对外观一无所知，即没有对外观的引用。
- Client (客户端)：通过 Facade 与子系统交互。
工作流程：
- 客户端创建一个
Facade对象。 - 客户端调用
Facade对象提供的简化方法。 Facade对象接收到请求后，会根据需要调用一个或多个子系统类的方法来完成任务。- 子系统类执行具体的操作。
Facade可能会对子系统的结果进行组合或转换，然后返回给客户端。
客户端通常只与 Facade 交互，但如果需要，也可以直接访问子系统类（外观模式并不阻止直接访问子系统）。
4. 适用场景 (When to Use)
- 当你需要为一个复杂子系统提供一个简单的接口时。外观可以提供一个高层接口，使得子系统更易于使用。
- 当客户端与多个子系统之间存在大量的依赖关系时。引入外观将客户端与子系统解耦，从而提高子系统的独立性和可移植性。
- 当你希望对子系统进行分层时。使用外观定义每层入口点，如果子系统发生变化，只需修改外观的实现，而不会影响到调用外观的客户端。
- 当你想封装遗留代码或第三方库，提供一个更现代、更简洁的API时。
5. 优缺点 (Pros and Cons)
优点：
- 降低了客户端和子系统之间的耦合度：客户端只需要知道外观接口，而不需要了解子系统的内部实现。子系统的修改对客户端是透明的。
- 简化了客户端的使用：外观提供了一个高层接口，使得客户端更容易使用复杂的子系统。
- 提高了灵活性和可维护性：子系统可以独立地演化，只要外观接口不变。
- 更好地划分了访问层次：对于大型系统，可以使用外观模式将系统划分为若干个子系统，每个子系统都有一个外观接口，从而使得系统结构更加清晰。
缺点：
- 可能产生一个“上帝对象” (God Object)：如果外观类承担了过多的职责，它可能会变得非常庞大和复杂，违反单一职责原则。
- 不符合开闭原则：如果需要为子系统增加新的行为，通常需要修改外观类的代码。当然，也可以通过引入新的外观类或使用其他模式（如装饰器或策略模式）来扩展外观的功能。
- 外观可能隐藏了子系统的有用特性：如果外观接口设计得过于简单，可能会屏蔽掉子系统提供的一些高级或不常用的功能，客户端如果需要这些功能，仍可能需要直接访问子系统。
6. 实现方式 (Implementations)
让我们以一个简化的计算机启动过程为例。计算机启动涉及CPU、内存、硬盘等多个子系统。
子系统类 (CPU, Memory, HardDrive)
// cpu.go (Subsystem Class)
package computer
import "fmt"
type CPU struct{}
func (c *CPU) Freeze() {
fmt.Println("CPU: Freezing...")
}
func (c *CPU) Jump(position int64) {
fmt.Printf("CPU: Jumping to address %#x\n", position)
}
func (c *CPU) Execute() {
fmt.Println("CPU: Executing commands...")
}
// memory.go (Subsystem Class)
package computer
import "fmt"
type Memory struct{}
func (m *Memory) Load(position int64, data []byte) {
fmt.Printf("Memory: Loading data to address %#x (data length: %d)\n", position, len(data))
// 实际加载数据到内存
}
// hard_drive.go (Subsystem Class)
package computer
import "fmt"
type HardDrive struct{}
func (hd *HardDrive) Read(lba int64, size int) []byte {
fmt.Printf("HardDrive: Reading %d bytes from LBA %d\n", size, lba)
// 实际从硬盘读取数据
return []byte("boot_sector_data_from_hdd")
}
// CPU.java (Subsystem Class)
package com.example.computer.subsystems;
public class CPU {
public void freeze() {
System.out.println("CPU: Freezing...");
}
public void jump(long position) {
System.out.printf("CPU: Jumping to address %#x%n", position);
}
public void execute() {
System.out.println("CPU: Executing commands...");
}
}
// Memory.java (Subsystem Class)
package com.example.computer.subsystems;
public class Memory {
public void load(long position, byte[] data) {
System.out.printf("Memory: Loading data to address %#x (data length: %d)%n", position, data.length);
// 实际加载数据到内存
}
}
// HardDrive.java (Subsystem Class)
package com.example.computer.subsystems;
public class HardDrive {
public byte[] read(long lba, int size) {
System.out.printf("HardDrive: Reading %d bytes from LBA %d%n", size, lba);
// 实际从硬盘读取数据
return "boot_sector_data_from_hdd".getBytes();
}
}
外观类 (ComputerFacade)
// computer_facade.go (Facade Class)
package computer
import "fmt"
const BOOT_ADDRESS int64 = 0x7C00
const BOOT_SECTOR_LBA int64 = 0
const SECTOR_SIZE int = 512
// ComputerFacade 外观类
type ComputerFacade struct {
cpu *CPU
memory *Memory
hardDrive *HardDrive
}
func NewComputerFacade() *ComputerFacade {
return &ComputerFacade{
cpu: &CPU{},
memory: &Memory{},
hardDrive: &HardDrive{},
}
}
// Start 提供一个简化的启动接口
func (cf *ComputerFacade) Start() {
fmt.Println("ComputerFacade: Starting computer...")
cf.cpu.Freeze() // 1. CPU 准备
bootData := cf.hardDrive.Read(BOOT_SECTOR_LBA, SECTOR_SIZE) // 2. 从硬盘读取引导扇区
cf.memory.Load(BOOT_ADDRESS, bootData) // 3. 加载引导扇区到内存
cf.cpu.Jump(BOOT_ADDRESS) // 4. CPU 跳转到引导地址
cf.cpu.Execute() // 5. CPU 开始执行
fmt.Println("ComputerFacade: Computer started successfully.")
}
// Shutdown (可以添加其他简化操作)
func (cf *ComputerFacade) Shutdown() {
fmt.Println("ComputerFacade: Shutting down computer...")
// 复杂的关机流程...
fmt.Println("ComputerFacade: Computer shut down.")
}
// ComputerFacade.java (Facade Class)
package com.example.computer;
import com.example.computer.subsystems.CPU;
import com.example.computer.subsystems.HardDrive;
import com.example.computer.subsystems.Memory;
public class ComputerFacade {
private static final long BOOT_ADDRESS = 0x7C00L;
private static final long BOOT_SECTOR_LBA = 0L;
private static final int SECTOR_SIZE = 512;
private CPU cpu;
private Memory memory;
private HardDrive hardDrive;
public ComputerFacade() {
this.cpu = new CPU();
this.memory = new Memory();
this.hardDrive = new HardDrive();
}
// start 提供一个简化的启动接口
public void startComputer() {
System.out.println("ComputerFacade: Starting computer...");
cpu.freeze(); // 1. CPU 准备
byte[] bootData = hardDrive.read(BOOT_SECTOR_LBA, SECTOR_SIZE); // 2. 从硬盘读取引导扇区
memory.load(BOOT_ADDRESS, bootData); // 3. 加载引导扇区到内存
cpu.jump(BOOT_ADDRESS); // 4. CPU 跳转到引导地址
cpu.execute(); // 5. CPU 开始执行
System.out.println("ComputerFacade: Computer started successfully.");
}
// shutdown (可以添加其他简化操作)
public void shutdownComputer() {
System.out.println("ComputerFacade: Shutting down computer...");
// 复杂的关机流程...
System.out.println("ComputerFacade: Computer shut down.");
}
}
客户端使用
// main.go (示例用法)
/*
package main
import (
"./computer"
"fmt"
)
func main() {
fmt.Println("--- Client: Using Computer Facade ---")
computer := computer.NewComputerFacade()
computer.Start() // 客户端只需要调用一个简单的方法
fmt.Println("\n--- Client: Later, shutting down computer ---")
computer.Shutdown()
// 如果需要，客户端仍然可以直接访问子系统（不推荐，除非外观未提供所需功能）
// fmt.Println("\n--- Client: Directly accessing subsystem (not typical use of facade) ---")
// cpu := &computer.CPU{}
// cpu.Execute()
}
*/
// Main.java (示例用法)
/*
package com.example;
import com.example.computer.ComputerFacade;
// import com.example.computer.subsystems.CPU; // For direct access example
public class Main {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("--- Client: Using Computer Facade ---");
ComputerFacade computer = new ComputerFacade();
computer.startComputer(); // 客户端只需要调用一个简单的方法
System.out.println("\n--- Client: Later, shutting down computer ---");
computer.shutdownComputer();
// 如果需要，客户端仍然可以直接访问子系统（不推荐，除非外观未提供所需功能）
// System.out.println("\n--- Client: Directly accessing subsystem (not typical use of facade) ---");
// CPU cpu = new CPU();
// cpu.execute();
}
}
*/
7. 与适配器模式的区别
外观模式和适配器模式都用于封装其他对象，但目的不同：
-
外观模式 (Facade)：
- 意图：提供一个简化的、统一的接口来访问复杂的子系统。目标是“简化”接口。
- 解决的问题：降低客户端与复杂子系统之间的耦合，使子系统更易用。
- 接口：定义一个全新的、更高层的接口。
-
适配器模式 (Adapter)：
- 意图：将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。目标是“转换”或“适配”接口。
- 解决的问题：使原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以协同工作。
- 接口：适配已有的接口。
简单来说：
- 外观：我有一个复杂的系统，我想提供一个简单的“门面”让别人更容易使用它。
- 适配器：我有两个东西接口对不上，我想加个“转换头”让它们能接上。
8. 总结
外观模式通过提供一个统一的接口来封装子系统中一组复杂的接口，从而简化了客户端与子系统的交互。它有效地降低了耦合，提高了系统的可维护性和易用性。当你面对一个复杂的系统，并希望为客户端提供一个更简单、更直接的访问方式时，外观模式是一个非常好的选择。
记住它的核心：提供高层统一接口，简化子系统访问。