掌握设计模式：23种经典设计模式实战指南.zip

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简介：设计模式是软件工程中用于解决常见问题的可重用解决方案，涵盖了创建型、结构型和行为型三大类别。创建型模式关注对象创建过程和系统灵活性；结构型模式关注类或对象的组合方式；行为型模式关注对象间的责任分配和通信。这些模式由经验丰富的开发者总结而成，有助于编写更灵活、可维护和可扩展的代码。本课程设计项目将帮助学生深入理解并应用这些设计模式，解决实际编程中的复杂设计挑战。

1. 设计模式概述

设计模式是软件工程中的经典元素，被广泛认为是开发高质量软件不可或缺的一部分。它们源自于面对某些常见问题时的经验总结，提供了一套经过验证的解决方案。设计模式可以分为三大类：创建型、结构型和行为型。创建型模式主要关注对象实例化的过程，结构型模式专注于如何组织类和对象以便它们能够更加灵活和高效地结合在一起，而行为型模式则着重于描述对象间的通信。

设计模式不仅有助于提高代码的可重用性、可维护性和清晰性，还能增强系统的扩展性和灵活性。例如，单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点；工厂模式将对象创建与使用分离开来，使系统更易于维护和扩展。理解并合理应用设计模式对于软件工程师来说是一项基础而重要的技能。本章将从设计模式的基本概念、起源和分类开始，为读者深入理解后续内容打下坚实的基础。

graph TD
    A[设计模式] --> B[创建型模式]
    A --> C[结构型模式]
    A --> D[行为型模式]
    B --> E[单例模式]
    B --> F[工厂方法模式]
    C --> G[适配器模式]
    C --> H[装饰器模式]
    D --> I[命令模式]
    D --> J[观察者模式]

上图展示了一个简化的设计模式分类图，它反映了设计模式的组织方式。接下来的章节将详细介绍这些模式，并探讨它们在实际开发中的应用。

2. 创建型设计模式

创建型设计模式通过提供不同的对象创建方法，帮助我们设计出更加灵活、清晰且易于维护的系统。这一章将详细探讨单例、工厂方法、抽象工厂、建造者以及原型模式，并分析其在实际开发中的应用和优缺点。

2.1 单例模式

2.1.1 单例模式的定义和实现

单例模式是一种对象创建模式，它保证一个类仅有一个实例，并提供一个全局访问点。单例模式适用于那些创建对象非常耗费资源，或者一个全局访问点非常重要的场景。

public class Singleton {
    // 创建一个静态的单例实例变量
    private static Singleton instance;
    // 构造函数私有化，防止外部通过new创建实例
    private Singleton() {}

    // 提供一个全局访问点，线程安全的获取实例方法
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

在上面的代码中，我们使用了双重检查锁定机制来实现线程安全的单例模式。这是单例模式中一个重要的概念，它确保了实例的唯一性，并且只在首次创建时进行同步，从而提高了效率。

2.1.2 单例模式的应用场景

单例模式在以下场景中应用广泛：

• 配置文件管理器：配置文件通常被统一管理，确保整个系统中配置信息的统一。
• 日志管理器：日志系统通常只需要一个全局的入口进行信息记录。
• 数据库连接池：数据库连接池管理器确保每个线程都能以高效的方式获取和释放数据库连接。

2.2 工厂方法模式

2.2.1 工厂方法的原理和构造

工厂方法模式是创建型模式的一种，它定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。

// 抽象产品类
public abstract class Product {}

// 具体产品类A
public class ConcreteProductA extends Product {}

// 具体产品类B
public class ConcreteProductB extends Product {}

// 抽象工厂类
public abstract class Creator {
    public abstract Product factoryMethod();
}

// 具体工厂类A
public class ConcreteCreatorA extends Creator {
    @Override
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProductA();
    }
}

// 具体工厂类B
public class ConcreteCreatorB extends Creator {
    @Override
    public Product factoryMethod() {
        return new ConcreteProductB();
    }
}

2.2.2 工厂方法模式的优缺点

工厂方法模式具有以下优势：

• 对扩展开放，对修改关闭：增加新的产品时无需修改现有代码，只需增加相应的具体产品类和具体工厂类。
• 避免客户端与具体类的耦合：客户端只需要知道产品对应的工厂类，而不需知道产品的具体实现。

然而，工厂方法模式也有其缺点：

• 类数量的增加：每增加一种产品，就需要增加相应的具体产品类和工厂类。
• 系统中类的个数会成倍增加，增加了系统的复杂性。

2.3 抽象工厂模式

2.3.1 抽象工厂的实现机制

抽象工厂模式提供了一个接口用于创建一系列相关或相互依赖的对象，而无需指定它们具体的类。这种模式适用于具有多个产品系列，而客户程序需要与多个系列中的产品交互的情况。

// 抽象产品A
public interface AbstractProductA {}

// 抽象产品B
public interface AbstractProductB {}

// 具体产品系列A
public class ConcreteProductA1 implements AbstractProductA {}
public class ConcreteProductA2 implements AbstractProductA {}

// 具体产品系列B
public class ConcreteProductB1 implements AbstractProductB {}
public class ConcreteProductB2 implements AbstractProductB {}

// 抽象工厂类
public interface AbstractFactory {
    AbstractProductA createProductA();
    AbstractProductB createProductB();
}

// 具体工厂类
public class ConcreteFactory1 implements AbstractFactory {
    @Override
    public AbstractProductA createProductA() {
        return new ConcreteProductA1();
    }

    @Override
    public AbstractProductB createProductB() {
        return new ConcreteProductB1();
    }
}

public class ConcreteFactory2 implements AbstractFactory {
    @Override
    public AbstractProductA createProductA() {
        return new ConcreteProductA2();
    }

    @Override
    public AbstractProductB createProductB() {
        return new ConcreteProductB2();
    }
}

2.3.2 抽象工厂与具体工厂的区别

• 抽象工厂 提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
• 具体工厂 实现了抽象工厂中定义的接口，并实际创建具体的对象。

抽象工厂可以为不同的产品系列提供一致的创建接口，这样，客户程序不需要知道产品具体类的情况下，就可以创建一系列相关的产品对象。

2.4 建造者模式

2.4.1 建造者模式的组件和步骤

建造者模式是一种创建型设计模式，它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。

// 指导者类，负责构建过程的管理
public class Director {
    private Builder builder;
    public Director(Builder builder) {
        this.builder = builder;
    }
    public void construct() {
        builder.buildPartA();
        builder.buildPartB();
        builder.buildPartC();
    }
}

// 抽象建造者类
public abstract class Builder {
    protected Product product;
    public Product getProduct() {
        return product;
    }
    public abstract void buildPartA();
    public abstract void buildPartB();
    public abstract void buildPartC();
}

// 具体建造者类
public class ConcreteBuilder extends Builder {
    @Override
    public void buildPartA() {
        // 实现部件A的构建
    }

    @Override
    public void buildPartB() {
        // 实现部件B的构建
    }

    @Override
    public void buildPartC() {
        // 实现部件C的构建
    }
}

// 产品类
public class Product {
    private String partA;
    private String partB;
    private String partC;
    // 设置部件属性的方法
}

2.4.2 建造者模式在复杂对象构建中的应用

建造者模式特别适用于对象的构建过程需要多个步骤，而且这些步骤不固定，需要按照一定顺序执行的场景。通过引入Builder模式，可以很灵活地创建复杂对象，并且使调用者不必知道内部的具体实现细节。

2.5 原型模式

2.5.1 原型模式的概念和用途

原型模式用于创建重复的对象，同时又能保证性能。这种模式实现了一个原型接口，该接口用于创建当前对象的克隆。当直接创建对象的代价较大时，原型模式可以起到很大的作用。

// 抽象原型类
public abstract class Prototype implements Cloneable {
    protected String field;

    public Prototype clone() throws CloneNotSupportedException {
        return (Prototype) super.clone();
    }

    public abstract void use(String s);
}

// 具体原型类
public class ConcretePrototype extends Prototype {
    public ConcretePrototype() {}

    public void use(String s) {
        // 实现使用方法
    }
}

2.5.2 浅拷贝与深拷贝的区别和实现

在实现原型模式时，需要注意浅拷贝和深拷贝的区别：

• 浅拷贝 只复制对象中基本数据类型的字段和引用对象的字段，而不复制引用对象本身。
• 深拷贝 不仅复制对象中基本数据类型的字段，还复制引用类型字段指向的对象，实现对象的完全独立。

要实现深拷贝，可以采用以下方法之一：

• 通过序列化（Serialization）和反序列化（Deserialization）来复制对象。
• 手动复制所有引用类型字段指向的对象。

// 实现深拷贝的原型类
public class DeepPrototype extends Prototype {
    private Prototype deepObject;

    // 实现Cloneable接口并重写clone方法
    @Override
    public Prototype clone() throws CloneNotSupportedException {
        DeepPrototype clone = (DeepPrototype) super.clone();
        // 递归深拷贝所有引用类型字段
        clone.deepObject = (Prototype) deepObject.clone();
        return clone;
    }
}

使用原型模式时，设计者应当根据需要选择合适的拷贝方式，并在代码中清晰地体现出拷贝的深度和策略。

以上就是创建型设计模式的详细讲解。每种模式都有其适用的场景和优缺点，它们各自解决了对象创建过程中的特定问题。理解并合理运用这些模式，可以提高代码的复用性，同时保持良好的结构。在下一章中，我们将探讨结构型设计模式，包括适配器、装饰器、外观等模式，它们专注于对象和类的组合问题。

3. 结构型设计模式

结构型设计模式关注于如何组合类和对象以获得更大的结构。它们不仅涉及对象的创建，还涉及类与类之间的关系，包括如何组织它们的职责和接口。这些模式提供不同的方式来处理类和对象的组合，使得系统更加灵活，并且容易维护。本章将探讨以下结构型模式：

3.1 适配器模式

适配器模式是结构型设计模式之一，它使得原本由于接口不兼容而不能工作的那些类可以协同工作。

3.1.1 适配器模式的适用场景和实现方式

适配器模式通常用于当需要将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口时，或者当需要使用一个已经存在的类，而其接口不符合你的需求时。实现上，适配器模式通常涉及到一个接口转换器，它将一个类的接口转换为另一个接口。

下面是一个适配器模式的简单实现：

// Target接口定义了客户端期望的接口方法
public interface Target {
    void request();
}

// Adaptee是一个遗留类，具有遗留接口
public class Adaptee {
    public void specificRequest() {
        System.out.println("Called specificRequest() of Adaptee.");
    }
}

// Adapter类通过包装一个Adaptee实例，实现了Target接口
public class Adapter implements Target {
    private Adaptee adaptee = new Adaptee();

    public void request() {
        adaptee.specificRequest();
    }
}

// 客户端代码使用Target接口
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Target target = new Adapter();
        target.request();
    }
}

适配器模式允许不修改现有代码的情况下，将新的接口引入到系统中。

3.1.2 类适配器与对象适配器的比较

适配器模式有两种实现方式：类适配器模式和对象适配器模式。类适配器模式使用多重继承实现，而对象适配器模式使用组合。

类适配器模式 通过继承Adaptee类来实现接口的转换，适合于当你无法改变Adaptee类，且Adaptee类没有子类时使用。类适配器模式利用继承的特性，可以在新接口中添加方法，或者覆盖Adaptee中的方法。

// 类适配器模式中的Adapter类继承自Adaptee和Target接口
public class Adapter extends Adaptee implements Target {
    public void request() {
        specificRequest();
    }
}

对象适配器模式 则通过组合Adaptee实例来实现接口的转换，适用于Adaptee有子类或当需要使用多个Adaptee实例时。

对象适配器模式提供了更大的灵活性，允许一个适配器同时适配多个Adaptee类。

3.2 装饰器模式

装饰器模式允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。

3.2.1 装饰器模式的基本原理

装饰器模式提供了比继承更灵活的方式来扩展功能。通过创建一个装饰对象，我们可以将一个原始对象包装在其中，然后向这个包装器中添加新的功能。

下面是一个装饰器模式的简单实现：

// Component是定义一个对象接口，可以给这些对象动态地添加职责。
public abstract class Component {
    public abstract void operation();
}

// ConcreteComponent是定义了一个具体的对象，也可以给这个对象添加一些职责。
public class ConcreteComponent extends Component {
    public void operation() {
        System.out.println("ConcreteComponent operation");
    }
}

// Decorator是维持一个指向Component对象的引用，并定义一个与Component接口一致的接口。
public abstract class Decorator extends Component {
    protected Component component;

    public Decorator(Component component) {
        this.component = component;
    }

    public void operation() {
        component.operation();
    }
}

// ConcreteDecorator为所装饰的对象添加新的功能。
public class ConcreteDecorator extends Decorator {
    public ConcreteDecorator(Component component) {
        super(component);
    }

    public void addedBehavior() {
        System.out.println("Added Behavior");
    }

    @Override
    public void operation() {
        super.operation();
        addedBehavior();
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Component component = new ConcreteComponent();
        component = new ConcreteDecorator(component);
        component.operation();
    }
}

装饰器模式通过在运行时动态地给一个对象添加额外的职责，以此来扩展功能。

3.3 外观模式

外观模式提供了一个统一的接口，用来访问子系统中的一群接口，从而让子系统更容易使用。

3.3.1 外观模式的设计思想

外观模式定义了一个高层接口，让子系统更容易使用。它通过提供一个统一的接口，使得子系统的复杂性对系统外屏蔽，从而使得调用者能简单地使用这些子系统。

// Facade类提供了对子系统中的一组接口的简单抽象
public class Facade {
    private SubsystemA subsystemA = new SubsystemA();
    private SubsystemB subsystemB = new SubsystemB();
    private SubsystemC subsystemC = new SubsystemC();

    public void operation() {
        subsystemA.operationA();
        subsystemB.operationB();
        subsystemC.operationC();
    }
}

// 子系统类
public class SubsystemA {
    public void operationA() {
        System.out.println("SubsystemA operation");
    }
}

public class SubsystemB {
    public void operationB() {
        System.out.println("SubsystemB operation");
    }
}

public class SubsystemC {
    public void operationC() {
        System.out.println("SubsystemC operation");
    }
}

// 客户端代码
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Facade facade = new Facade();
        facade.operation();
    }
}

3.3.2 系统集成中外观模式的作用

在系统集成中，外观模式特别有用，因为它可以帮助系统集成者隐藏复杂的子系统实现细节，从而简化集成过程。

以上是对适配器模式和装饰器模式以及外观模式的探讨。在下一节中，我们将深入了解桥接模式、组合模式、享元模式以及代理模式。

4. 行为型设计模式

行为型设计模式关注于对象之间的通信模式，使得系统更加灵活，并易于扩展。这类模式主要解决系统内部各组件之间如何协作的问题，以及如何在不直接耦合对象的情况下，传达请求或者执行请求。行为型模式包括了众多模式，如命令模式、解释器模式、迭代器模式等。

4.1 命令模式

4.1.1 命令模式的组成和工作流程

命令模式是一种行为设计模式，它将请求封装成对象，这样可以通过参数化对象来使用不同的请求，将发出请求的对象与执行请求的对象解耦。

命令模式的组成可以简化为四个角色：发送者（Invoker）、接收者（Receiver）、命令（Command）以及客户端（Client）。

• 命令（Command） ：声明执行操作的接口。
• 具体命令（ConcreteCommand） ：将一个接收者对象绑定于一个动作；调用接收者相应的操作，以实现命令接口。
• 调用者（Invoker） ：要求该命令执行这个请求。
• 接收者（Receiver） ：知道如何实施与执行一个请求相关的操作。任何类都可能作为一个接收者。

工作流程如下：

1. 客户端创建一个具体命令对象并设定其接收者。
2. 调用者持有一个命令对象，并在某个时间点调用命令对象的执行方法。
3. 执行方法将调用接收者的动作，实现请求的功能。

下面是一个命令模式的简单代码实现，它演示了如何将请求封装成对象，从而实现对象间的解耦：

// 命令接口
public interface Command {
    void execute();
}

// 具体命令类
public class ConcreteCommand implements Command {
    private Receiver receiver;

    public ConcreteCommand(Receiver receiver) {
        this.receiver = receiver;
    }

    @Override
    public void execute() {
        receiver.action();
    }
}

// 接收者类
public class Receiver {
    public void action() {
        System.out.println("Receiver action");
    }
}

// 调用者类
public class Invoker {
    private Command command;

    public Invoker(Command command) {
        this.command = command;
    }

    public void executeCommand() {
        command.execute();
    }
}

// 客户端类
public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        Receiver receiver = new Receiver();
        Command command = new ConcreteCommand(receiver);
        Invoker invoker = new Invoker(command);
        invoker.executeCommand(); // 输出: Receiver action
    }
}

4.1.2 命令模式在GUI和事务处理中的应用

命令模式在图形用户界面（GUI）中有着广泛的应用。例如，在一个按钮的点击事件中，该按钮可能需要执行多个任务，使用命令模式可以将这些任务封装成命令对象，然后按顺序执行。这样做的好处是，不仅可以清晰地分离任务的执行和请求的发起，还可以在用户界面上轻松添加撤销或重做功能，因为每个命令对象都可以保存自身的历史状态。

在事务处理方面，命令模式同样适用。事务可以看作是一组命令的集合，而命令模式允许将这些命令封装起来，然后按特定顺序执行。这种模式使得事务控制变得简单，因为可以像控制单个命令那样控制整个事务。此外，事务对象还可以实现回滚操作，只要保存每个命令执行前的状态，就可以在需要时将系统恢复到事务执行前的状态。

4.2 解释器模式

4.2.1 解释器模式的基本概念

解释器模式是一种行为设计模式，用于定义语言的文法，并根据文法规则解释语言中的句子。该模式通常用在特定类型的问题领域中，对于每一种文法规则，都需要有一个解释器。

解释器模式的组成包括：

• 抽象表达式（AbstractExpression） ：声明一个接口用于解释上下文。
• 终结符表达式（TerminalExpression） ：实现与文法中的终结符有关的解释操作。
• 非终结符表达式（NonterminalExpression） ：文法中的每一条规则都需要一个非终结符表达式类。非终结符表达式一般是文法中的运算符或者其他关键字，主要作用是组合其他表达式并将解释任务委托给它们。
• 上下文（Context） ：包含解释器之外的一些全局信息。

4.2.2 解释器模式在特定问题领域的应用

解释器模式在许多领域都有潜在的应用，比如正则表达式解析、SQL查询解释等。在正则表达式解析中，正则表达式可以看作是一种特定语言的规则定义，而具体的正则表达式引擎则是解释器，用于解析符合规则的字符串。

在SQL查询解释中，解释器模式同样适用。SQL语句符合一定的文法规则，可以为不同的SQL语句片段定义不同的解释器，例如，一个解释SELECT语句的解释器，或者一个解释UPDATE语句的解释器。这些解释器将负责根据各自定义的规则解释相应的SQL语句片段，并执行实际的查询操作。

以SQL查询为例，一个简单的解释器模式实现可能如下所示：

// 抽象表达式
public interface Expression {
    boolean interpret(String context);
}

// 终结符表达式
public class TerminalExpression implements Expression {
    private String data;

    public TerminalExpression(String data) {
        this.data = data;
    }

    @Override
    public boolean interpret(String context) {
        return context.contains(data);
    }
}

// 非终结符表达式
public class OrExpression implements Expression {
    private Expression expr1;
    private Expression expr2;

    public OrExpression(Expression expr1, Expression expr2) {
        this.expr1 = expr1;
        this.expr2 = expr2;
    }

    @Override
    public boolean interpret(String context) {
        return expr1.interpret(context) || expr2.interpret(context);
    }
}

// 客户端类
public class InterpreterPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Expression isJava = new TerminalExpression("Java");
        Expression isPython = new TerminalExpression("Python");
        Expression isJavaOrPython = new OrExpression(isJava, isPython);

        String context = "Java and Python are programming languages";
        boolean result = isJavaOrPython.interpret(context);
        System.out.println(result); // 输出: true
    }
}

通过这种方式，复杂的查询语句可以被拆分成多个小的部分，并且每部分都由对应的解释器处理。这样的设计提高了系统的可扩展性和灵活性，特别是在处理多种语言或具有复杂结构的语言时。

5. 设计模式的实际应用与选择

设计模式的实际应用与选择是软件开发中的关键环节。本章将围绕如何根据具体情况选择合适的设计模式进行探讨：

5.1 设计模式的选择原则

在软件开发过程中，选择合适的设计模式至关重要。模式的选择应基于几个关键原则：

5.1.1 模式选择的基本考量 选择设计模式时，开发者需要考虑以下几个方面： - 问题域与需求 ：首先要明确软件需要解决的问题和实现的功能。 - 设计的灵活性和可扩展性 ：优先选择能提供更高灵活性和易于扩展的设计模式。 - 团队的熟悉程度 ：选择团队成员更熟悉的模式可以减少学习成本和实施风险。

5.1.2 模式选择的常见误区 在模式选择过程中，开发者可能会遇到以下误区： - 过度设计 ：在没有充分需求的情况下，过度使用设计模式。 - 模式的盲目崇拜 ：盲目地应用某个设计模式而没有认真考虑是否符合实际需求。 - 忽视上下文环境 ：选择设计模式时没有考虑到项目特有的上下文环境。

5.2 设计模式的综合比较

不同类型的设计模式适用于不同的场景。了解它们之间的差异可以帮助开发者做出更加明智的选择。

5.2.1 不同类型模式的比较 不同的设计模式在目的、应用场景和实现细节上有所区别。例如： - 创建型模式 主要解决对象创建问题。 - 结构型模式 关注如何组合类和对象以获得更大的结构。 - 行为型模式 关注对象间的通信。

5.2.2 不同场景下的模式对比 针对不同的开发场景，可以对设计模式进行对比分析。例如： - 在需要保证一个类只有一个实例时，单例模式是理想选择。 - 当需要解耦合对象之间的直接联系时，中介者模式或观察者模式更为合适。

5.3 设计模式的优化策略

设计模式不仅有助于提高软件的质量，还可以用于系统的优化。

5.3.1 模式在系统优化中的作用 通过选择合适的设计模式，可以优化系统结构，提升性能，例如使用享元模式来减少内存使用。

5.3.2 避免模式使用过度和不当 设计模式应当恰当使用。过度或不恰当的使用可能导致代码复杂、难维护。

5.4 设计模式的最佳实践案例

学习成功案例可以帮助开发者更好地理解和应用设计模式。

5.4.1 成功案例分析 分析其他成功应用设计模式的项目可以帮助我们理解模式的实际应用。例如，开源项目中广泛使用的设计模式可能包括工厂方法模式和策略模式。

5.4.2 从实践中学习模式的应用 通过实践，开发者可以掌握设计模式的使用技巧。将学到的理论应用到具体问题中去解决，会更有效率地掌握设计模式。

在了解了设计模式的选择原则、比较、优化策略和最佳实践案例后，开发者将能够在实际开发中更加自信地运用设计模式，从而设计出更加健壮、易于维护的软件系统。

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