Day39-设计模式-概述

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title: Day39-设计模式-概述
date: 2021-03-02 14:46:58
author:Liu_zimo

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设计模式

• 介绍：
  1. 设计模式是程序员在面对同类软件工程设计问题所总结出来的有用的经验，模式不是代码，而是某类问题的通用解决方案，设计模式（Design pattern)代表了最佳的实践。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。
  2. 设计模式的本质提高软件的维护性，通用性和扩展性，并降低软件的复杂度。
  3. <<设计模式>>是经典的书，作者是Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides Design（俗称“四人组GOF”)
  4. 设计模式并不局限于某种语言，java，php，c++都有设计模式
• 设计模式类型
  • 设计模式分为三种类型，共23种
    1. 创建型模式：单例模式、抽象工厂模式、原型模式、建造者模式、工厂模式。
    2. 结构型模式：适配器模式、桥接模式、装饰模式、组合模式、外观模式、享元模式、代理模式。
    3. 行为型模式：模版方法模式、命令模式、访问者模式、迭代器模式、观察者模式、中介者模式、备忘录模式、解释器模式(Interpreter模式)、状态模式、策略模式、职责链模式(责任链模式)。

面试经典问题

1. 原型设计模式问题

   1. 有请使用UML类图画出原型模式核心角色

   2. 原型设计模式的深拷贝和浅拷贝是什么，并写出深拷贝的两种方式的源码(重写clone方法实现深拷贝、使用序列化来实现深拷贝)

   3. 在Spring框架中哪里使用到原型模式，并对源码进行分析

      beans.xml
      

   4. Spring中原型bean的创建，就是原型模式的应用

   5. 代码分析+Debug源码

2. 设计模式的七大原则：

   • 要求：
     1. 七大设计原则核心思想
        1. 单一职责原则
        2. 接口隔离原则
        3. 依赖倒转原则
        4. 里氏替换原则
        5. 开闭原则（ocp）工厂模式中用到
        6. 迪米特法则
        7. 合成复用原则
     2. 能够以类图的说明设计原则
     3. 在项目实际开发中，你在哪里使用到了ocp原则

3. 金融借贷平台项目：

   • 问题描述：借贷平台的订单，有审核-发布-抢单等等步骤，随着操作的不同，会改变订单的状态，项目中的这个模块实现就会使用到状态模式，请你使用状态模式进行设计，并完成实际代码
   • 问题分析：这类代码难以应对变化，在添加—种状态时，我们需要手动添加if/else，在添加一种功能时，要对所有的状态进行判断。因此代码会变得越来越臃肿，并且一旦没有处理某个状态，便会发生极其严重的BUG，难以维护

4. 解释器设计模式

   1. 介绍解释器设计模式是什么?
   2. 画出解释器设计模式的UML类图,分析设计模式中的各个角色是什么?
   3. 请说明Spring的框架中，哪里使用到了解释器设计模式，并做源码级别的分析

5. 单例设计模式一共有几种实现方式?请分别用代码实现，并说明各个实现方式的优点和缺点?

   1. 饿汉式 - 两种
   2. 懒汉式 - 三种
   3. 双重检查
   4. 静态内部类
   5. 枚举

设计模式的重要性

1. 软件工程中，设计模式(design pattern）是对软件设计中普遍存在（反复出现)的各种问题，所提出的解决方案。这个术语是由埃里希·伽玛(Erich Gamma）等人在1990年代从建筑设计领域引入到计算机科学的
2. 大厦VS简易房
3. 拿实际工作经历来说，当一个项目开发完后，如果客户提出增新功能，怎么办?
4. 如果项目开发完后，原来程序员离职，你接手维护该项目怎么办?（维护性[可读性、规范性]）
5. 目前程序员门槛越来越高，一线IT公司(大厂)，都会问你在实际项目中使用过什么设计模式，怎样使用的，解决了什么问题。
6. 设计模式在软件中哪里?面向对象(oop)=>功能模块[设计模式+算法(数据结构)]=>框架[使用到多种设计模式]=>架构[服务器集群]
7. 如果想成为合格软件工程师，那就花时间来研究下设计模式是非常必要的。

设计模式的七大原则

设计模式的目的

编写软件过程中，程序员面临着来自耦合性，内聚性以及可维护性，可扩展性，重用性，灵活性等多方面的挑战，设计模式是为了让程序(软件)，具有更好

1. 代码重用性(即：相同功能的代码，不用多次编写)
2. 可读性(即：编程的规范性，便于其他程序员的阅读和理解)
3. 可扩展性(即：当需要增加新功能时，非常方便，成为可维护)
4. 可靠性(即：当增加新功能后，对原有功能没有影响)
5. 使程序呈现高内聚，低耦合的特性

设计模式原则，其实就是程序员在编程时，应当遵守的原则，也是各种设计模式的基础(即：设计模式为什么这样设计的依据)

（一）单一职责原则

• 基本介绍：对类来说的，即一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同职责：职责1，职责2当职责1需求变更而改变A时，可能造成职责2执行错误，所以需要将类A的粒度分解为A1，A2
• 应用实例：区分交通工具
• 注意事项和细节：
  1. 降低类的复杂度，一个类只负责一项职责。
  2. 提高类的可读性，可维护性
  3. 降低变更引起的风险
  4. 通常情况下，我们应当遵守单一职责原则，只有逻辑足够简单，才可以在代码级违反单一职责原则；只有类中方法数量足够少，可以在方法级别保持单一职责原则

package com.zimo.设计模式.七大原则.单一原则;

/**
 * 单一原则：实例1
 *
 * @author Liu_zimo
 * @version v0.1 by 2021/3/2 15:59
 */
public class SingleResponsibility {

    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.run("摩托车");
        vehicle.run("汽车");
        vehicle.run("飞机");
    }
}
/**
 * 交通工具类
 * 方式1
 *  1.在方式1的run方法中，违反了单一职责原则
 *    解决方案，根据交通攻击运行方法不同，分解不同类即可（改动很大）
 *  3.改进：直接修改Vehicle
 */
class Vehicle{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行...");
    }
}

/**
 * 方式2
 *      这种修改方法没有对原来的类做大的修改,只是增加方法
 *      这里虽然没有在类这个级别上遵守单一职责原则，但是在方法级别上，仍然是遵守单一职责
 */
class Vehicle1{
    public void runRoad(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + "在公路上运行...");
    }
    public void runAir(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + "在天上运行...");
    }
}

（二）接口隔离原则

• 基本介绍：客户端不应该依赖它不需要的接，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上
• 应用实例：接口拆分
• 注意事项和细节：

（三）依赖倒转原则

• 基本介绍：
  1. 高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象
  2. 抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象
  3. 依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
  4. 依赖倒转原则是基于这样的设计理念：相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在java中，抽象指的是接口或抽象类，细节就是具体的实现类
  5. 使用接口或抽象类的目的是制定好规范，而不涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给他们的实现类去完成
• 应用实例：Person类接收消息的功能
• 注意事项和细节：
  • 依赖传递的三种方式：
    1. 接口传递
    2. 构造方法传递
    3. setter方式传递
  • 低层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有，程序稳定性更好
  • 变量的声明类型尽量是抽象类或接口，这样我们的变量引用和实际对象间，就存在一个缓冲层，利于程序扩展和优化
  • 继承时遵循里氏替换原则

package com.zimo.设计模式.七大原则.依赖倒转原则;

/**
 * 依赖倒转原则：实例Person收消息
 *
 * @author Liu_zimo
 * @version v0.1 by 2021/3/2 17:06
 */
public class DependecyInversion {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        person.receive(new Email());

        // 改进版
        Person1 person1 = new Person1();
        person1.receive(new Email1());
    }
}
class Email{
    public String getInfo(){ return "email: hello"; }
}
/**
 * 完成接收消息功能
 *      方式1
 *          1.简单
 *          2.如果对象是微信，短信等，则要新增类，同时Person要增加新的相应方法
 *          3.解决思路：引入抽象接口IReceiver，表示接收者，这样Person类与接口引IReceiver发生依赖
 *          因为Email，WeiXin等等属于接收的范围，他们各自实现IReceiver 接口就ok，这样我们就符号依赖倒转原则
 */
class Person{
    public void receive(Email email){
        System.out.println(email.getInfo());
    }
}

// 方式2
interface IReceiver{
    public String getInfo();
}
class Email1 implements IReceiver{
    public String getInfo() { return "电子邮件信息:hello world";}
}
class Person1{
    public void receive(IReceiver receiver){
        System.out.println(receiver.getInfo());
    }
}

（四）里氏替换原则

• OO中的继承性的思考和说明
  1. 继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法，实际上是在设定规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约，但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。
  2. 继承在给程序设计带来便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低，增加对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障
  3. 问题提出：在编程中，如何正确的使用继承? => 里氏替换原则
• 基本介绍：
  1. 里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)在1988年，由麻省理工学院的以为姓里的女士提出的。
  2. 如果对每个类型为T1的对象o1，都有类型为T2的对象o2，使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有发生变化，那么类型T2是类型T1的子类型。换句话说，所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。
  3. 在使用继承时，遵循里氏替换原则，在子类中尽量不要重写父类的方法
  4. 里氏替换原则告诉我们，继承实际上让两个类耦合性增强了，在适当的情况下，可以通过聚合,组合,依赖来解决问题。
• 应用实例：继承父类时，无意中重写了父类方法
• 解决方法：
  1. 我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B无意中重写了父类的方法，造成原有功能出现错误。在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能，这样写起来虽然简单，但整个继承体系的复用性会比较差。特别是运行多态比较频繁的时候
  2. 通用的做法是：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉；采用依赖、聚合、组合等关系代替
• 注意事项和细节：

package com.zimo.设计模式.七大原则.里氏替换原则;

/**
 * 里氏替换原则：实例
 *
 * @author Liu_zimo
 * @version v0.1 by 2021/3/3 11:13
 */
public class Liskov {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        System.out.println(a.fun1(11, 3));      // 8
        System.out.println(a.fun1(1, 8));       // -7

        B b = new B();
        System.out.println(b.fun1(11, 3));      // 14
        System.out.println(b.fun1(1, 8));       // 9
        System.out.println(b.fun2(11, 3));      // 19

        // 改进版
        A1 a1 = new A1();
        System.out.println(a1.fun1(11, 3));      // 8
        System.out.println(a1.fun1(1, 8));       // -7

        B1 b1 = new B1();
        System.out.println(b1.fun3(11, 3));      // 8
        System.out.println(b1.fun3(1, 8));       // -7
        System.out.println(b1.fun2(11, 3));      // 13
    }
}
// A类：方法1返回两个数差
class A{
    public int fun1(int a, int b) {return a - b;}
}
// B类：继承A，新增功能，完成两数相加，再和5取和
class B extends A{
    @Override
    public int fun1(int a, int b) {return a+b; }    // 不小心重写方法
    public int fun2(int a,int b){ return fun1(a, b) + 5; }
}

// 改进版：如下
class Base{
    // 更加基础的方法和成员写到base类
}
class A1 extends Base{
    public int fun1(int a, int b) {return a - b;}
}
class B1 extends Base{
    // 如果B1需要使用A1中的方法 可以使用组合（或者聚合，依赖）即可
    private A1 a = new A1();
    public int fun2(int a,int b){ return this.a.fun1(a, b) + 5; }
    public int fun3(int a,int b){ return this.a.fun1(a, b); }
}

（五）开闭原则

• 基本介绍：
  1. 开闭原则（Open Closed Principle）是编程中最基础、最重要的设计原则
  2. 一个软件实体如类，模块和函数应该对扩展开放（提供方），对修改关闭（使用方）。用抽象构建框架，用实现扩展细节。
  3. 当软件需要变化时，尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。
  4. 编程中遵循其它原则，以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。
• 应用实例：绘制不同的图形
• 注意事项和细节：

package com.zimo.设计模式.七大原则.开闭原则;

import java.awt.*;

/**
 * 开闭原则：实例
 *
 * @author Liu_zimo
 * @version v0.1 by 2021/3/3 11:42
 */
public class OCP {
    public static void main(String[] args) {
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());

        // OCP原则改进版
        GraphicEditor_1 graphicEditor_1 = new GraphicEditor_1();
        graphicEditor_1.drawShape(new Circle_1());
        graphicEditor_1.drawShape(new Rectangle_1());
    }
}

/**
 * 绘图类
 *      优点：好理解，操作简单
 *      缺点：违反了OCP原则，即对扩展开放(提供方)，对修改关闭(使用方)，
 *           当我们给类增加新功能的时候，尽量不修改代码，或者尽可能少修改代码
 */
class GraphicEditor{
    public void drawShape(Shape s){
        if (s.m_type == 1){
            drawRectangle(s);
        }else if (s.m_type == 2){
            drawCircle(s);
        }
    }
    public void drawRectangle(Shape r){ System.out.println("矩形"); }
    public void drawCircle(Shape r){ System.out.println("圆形"); }
}
// Shape类，基类
class Shape{
    int m_type;
}
class Rectangle extends Shape{
    Rectangle(){ super.m_type = 1; }
}
class Circle extends Shape{
    Circle(){ super.m_type = 2; }
}
--------------------------------------------------------------------------------
/**
 * 开闭原则：案例改进版
 *      思路:把创建shape类做成抽象类，并提供一个抽象的draw方法，让子类去实现即可
 *          这样我们有新的图形种类时，只需要让新的图形类继承Shape，并实现draw方法即可，
 *          使用方的代码就不需要修->满足了开闭原则
 */
abstract class Shape_1{
    int m_type;
    public abstract void draw();    // 抽象方法
}
class Rectangle_1 extends Shape_1{
    public Rectangle_1() { super.m_type= 1; }
    public void draw() { System.out.println("绘制矩形"); }
}
class Circle_1 extends Shape_1{
    public Circle_1() { super.m_type= 2; }
    public void draw() { System.out.println("绘制圆形"); }
}
class GraphicEditor_1{
    public void drawShape(Shape_1 s){
        s.draw();
    }
}

（六）迪米特法则

• 基本介绍：
  1. 一个对象应该对其他对象保持最少的了解
  2. 类与类关系越密切，耦合度越大
  3. 迪米特法则(Demeter Principle)又叫最少知道原则，即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说，对于被依赖的类不管多么复杂，都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的public方法，不对外泄露任何信息
  4. 迪米特法则还有个更简单的定义：只与直接的朋友通信
  5. 直接的朋友：每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。其中，我们称出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。
• 应用实例：有一个学校，下属有各个学院和总部，现要求打印出学校总部员工ID和学院员工的id
• 注意事项和细节：
  1. 迪米特法则的核心是降低类之间的耦合
  2. 但是注意：由于每个类都减少了不必要的依赖，因此迪米特法则只是要求降低类间(对象间)耦合关系，并不是要求完全没有依赖关系

package com.zimo.设计模式.七大原则.迪米特法则;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * 迪米特法则：实例 - 有一个学校，下属有各个学院和总部，现要求打印出学校总部员工ID和学院员工的id
 *
 * @author Liu_zimo
 * @version v0.1 by 2021/3/3 14:38
 */
public class Demeter {
    public static void main(String[] args) {
        SchoolManage schoolManage = new SchoolManage();
        schoolManage.printAllEmployee(new CollegeManager());
        // 改进版
        SchoolManage_1 schoolManage1 = new SchoolManage_1();
        schoolManage1.printAllEmployee(new CollegeManager_1());
    }
}
// 学校总部员工
class Employee {
    private String id;
    public void setId(String id) { this.id = id; }
    public String getId() { return id; }
}
// 学院的员工
class CollegeEmployee {
    private String id;
    public void setId(String id) { this.id = id; }
    public String getId() { return id; }
}
class SchoolManage{
    public List<Employee>getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("学校总部员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        // CollegeEmployee 不是 SchoolManage 的直接朋友
        // 以局部变量出现，违反迪米特法则
        List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
        System.out.println(" ------------分公司员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学校总部员工------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}
class CollegeManager {
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 6; i < 10; i++) {
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("学院员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
}

// 改进版
class CollegeManager_1 {
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 6; i < 10; i++) {
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("学院员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
    public void printEmployee(){
        List<CollegeEmployee> list1 = this.getAllEmployee();
        System.out.println(" ------------分公司员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}
class SchoolManage_1{
    public List<Employee>getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("学校总部员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
    void printAllEmployee(CollegeManager_1 sub) {
        sub.printEmployee();    // 将输出方法封装到CollegeManager_1中去
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学校总部员工------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

（合成复用原则）

• 基本介绍：
  1. 原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承
• 设计原则核心思想：
  1. 找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不需要变化的代码混在一起。
  2. 针对接口编程，而不是针对实现编程。
  3. 为了交互对象之间的松耦合设计而努力

UML

UML基本介绍

1. UML——Unified modeling language UML(统一建模语言)，是一种用于软件系统分析和设计的语言工具，它用于帮助软件开友人员进行思考和记录思路的结果
2. UML本身是一套符号的规定，就像数学符号和化学符号一样，这些符号用于描述软件模型中的各个元素和他们之间的关系，比如类、接口、实现、泛化、依赖、组合、聚合等
3. 使用UML来建模，常用的工具有 Rational Rose，也可以使用一些插件来建模

UML图

• 画UML图与写文章差不多，都是把自己的思想描述给别人看，关键在于思路和条理，UML图分类：
  1. 用例图(use case)
  2. 静态结构图：类图、对象图、包图、组件图、部署图
  3. 动态行为图：交互图(时序图与协作图)、状态图、活动图
• 说明：
  1. 类图是描述类与类之间的关系的，是UML图中最核心的
  2. 在讲解设计模式时，我们必然会使用类图，为了让学员们能够把设计模式学到位，需要先给大家讲解类图
  3. 温馨提示：如果已经掌握UML类图的学员，可以直接听设计模式的章节

UML类图

1. 用于描述系统中的类(对象)本身的组成和类(对象)之间的各种静态关系。
2. 类之间的关系：依赖、泛化(继承)、实现、关联、聚合与组合
3. 类图简单举例

类图——依赖关系（Dependence）

• 只要是在类中用到了对方，那么他们之间就存在依赖关系。如果没有对方，连编绎都通过不了。

• 总结：
  1. 类中用到了对方
  2. 如果是类的成员属性
  3. 如果是方法的返回类型
  4. 是方法接收的参数类型
  5. 方法中使用到

类图——泛化关系（Generalization）

• 泛化关系实际上就是继承关系，他是依赖关系的特例

• 总结：
  1. 泛化关系实际上就是继承关系
  2. 如果A类继承了B类，我们就说A和B存在泛化关系

类图——实现关系（Implementation）

• 实现关系实际上就是A类实现B类，他是依赖关系的特例

类图——关联关系（Association）

• 关联关系实际上就是类与类之间的联系，他是依赖关系的特例
• 关联具有导航性：即双向关系或单向关系
• 关系具有多重性：如“1”（表示有且仅有一个)，“0…”（表示0个或者多个)，“0，1”(表示0个或者一个)，“n…m”(表示n到m个都可以)，“m.…*”（表示至少m个）。

类图——聚合关系（Aggregation）

• 聚合关系（Aggregation）表示的是整体和部分的关系，整体与部分可以分开。聚合关系是关联关系的特例，所以他具有关联的导航性与多重性。
• 如：一台电脑由键盘(keyboard)、显示器(monitor)，鼠标等组成；组成电脑的各个配件是可以从电脑上分离出来的，使用带空心菱形的实线来表示

• 如果我们人Mouse、Monitor和Computer是不可分离的，则升级为组合关系

类图——组合关系（Composition）

• 组合关系：也是整体与部分的关系，但是整体与部分不可以分开。
• 再看一个案例：在程序中我们定义实体：Person与IDCard、Head，那么 Head 和Person就是组合，IDCard和Person就是聚合。
  • 但是如果在程序中Person实体中定义了对IDCard讲行级联删除，即删除Person时连同IDCard一起删除，那么IDCard和 Person就是组合了