随笔档案

概要
什么是单一索引,什么又是复合索引呢? 何时新建复合索引，复合索引又需要注意些什么呢？本篇文章主要是对网上一些讨论的总结。

一.概念

单一索引是指索引列为一列的情况,即新建索引的语句只实施在一列上。

用户可以在多个列上建立索引，这种索引叫做复合索引(组合索引)。复合索引的创建方法与创建单一索引的方法完全一样。但复合索引在数据库操作期间所需的开销更小，可以代替多个单一索引。当表的行数远远大于索引键的数目时，使用这种方式可以明显加快表的查询速度。

同时有两个概念叫做窄索引和宽索引，窄索引是指索引列为1-2列的索引,如果不特殊说明的话一般是指单一索引。宽索引也就是索引列超过2列的索引。

设计索引的一个重要原则就是能用窄索引不用宽索引，因为窄索引往往比组合索引更有效。拥有更多的窄索引，将给优化程序提供更多的选择余地，这通常有助于提高性能。

二.使用

创建索引
create index idx1 on table1(col1,col2,col3) 
查询
select * from table1 where col1= A and col2= B and col3 = C

这时候查询优化器，不在扫描表了，而是直接的从索引中拿数据，因为索引中有这些数据，这叫覆盖式查询，这样的查询速度非常快。  

三.注意事项

1.何时是用复合索引
在where条件中字段用索引，如果用多字段就用复合索引。一般在select的字段不要建什么索引(如果是要查询select col1 ,col2, col3 from mytable,就不需要上面的索引了)。根据where条件建索引是极其重要的一个原则。注意不要过多用索引，否则对表更新的效率有很大的影响，因为在操作表的时候要化大量时间花在创建索引中.

2.对于复合索引，在查询使用时，最好将条件顺序按找索引的顺序，这样效率最高。如： 
  IDX1:create   index   idx1   on   table1(col2,col3,col5) 
  select   *   from   table1   where   col2=A   and   col3=B   and   col5=D 

如果是"select   *   from   table1   where   col3=B   and   col2=A   and   col5=D"
或者是"select   *   from   table1   where   col3=B"将不会使用索引，或者效果不明显

3.复合索引会替代单一索引么?
很多人认为只要把任何字段加进聚集索引，就能提高查询速度，也有人感到迷惑：如果把复合的聚集索引字段分开查询，那么查询速度会减慢吗？带着这个问题，我们来看一下以下的查询速度（结果集都是25万条数据）：（日期列fariqi首先排在复合聚集索引的起始列，用户名neibuyonghu排在后列）

IDX1:create   index   idx1   on   Tgongwen(fariqi,neibuyonghu) 

（1）select gid,fariqi,neibuyonghu,title from Tgongwen
where fariqi>'2004-5-5'

查询速度：2513毫秒

（2）select gid,fariqi,neibuyonghu,title from Tgongwen
where fariqi>'2004-5-5' and neibuyonghu='办公室'

查询速度：2516毫秒

（3）select gid,fariqi,neibuyonghu,title from Tgongwen
where neibuyonghu='办公室'

查询速度：60280毫秒

从以上试验中，我们可以看到如果仅用聚集索引的起始列作为查询条件和同时用到复合聚集索引的全部列的查询速度是几乎一样的，甚至比用上全部的复合索引列还要略快（在查询结果集数目一样的情况下）；而如果仅用复合聚集索引的非起始列作为查询条件的话，这个索引是不起任何作用的。当然，语句1、2的查询速度一样是因为查询的条目数一样，如果复合索引的所有列都用上，而且查询结果少的话，这样就会形成“索引覆盖”，因而性能可以达到最优。同时，请记住：无论您是否经常使用聚合索引的其他列，但其前导列一定要是使用最频繁的列。

[参考: 查询优化及分页算法方案 http://blog.csdn.net/chiefsailor/archive/2007/05/28/1628339.aspx]

4.需要在同一列上同时建单一索引和复合索引么?
试验: sysbase   5.0   表table1   字段：col1,col2,col3 

试验步骤： 
（1）建立索引idx1   on   col1 
  执行select   *   from   table1   where   col1=A     使用idx1 
  执行select   *   from   table1   where   col1=A   and   col2=B   也使用idx1 

（2）删除索引idx1,然后建立idx2   on   (col1,col2)复合索引 
  执行以上两个查询，也都使用idx2 

（3）如果两个索引idx1,idx2都存在 
  并不是   where   col1='A'用idx1；where   col1=A   and   col2=B  用idx2。 
  其查询优化器使用其中一个以前常用索引。要么都用idx1,要么都用idx2. 
  
由此可见，
（1）对一张表来说，如果有一个复合索引 on   (col1,col2)，就没有必要同时建立一个单索引 on col1。
（2）如果查询条件需要，可以在已有单索引 on col1的情况下，添加复合索引on   (col1,col2)，对于效率有一定的提高。
（3）同时建立多字段(包含5、6个字段)的复合索引没有特别多的好处，相对而言，建立多个窄字段(仅包含一个，或顶多2个字段)的索引可以达到更好的效率和灵活性。



5. 一定需要覆盖性查询么？
通常最好不要采用一个强调完全覆盖查询的策略。如果Select子句中的所有列都被一个非群集索引覆盖，优化程序会识别出这一点，并提供很好的性能。不过，这通常会导致索引过宽，并会过度依赖于优化程序使用该策略的可能性。通常，是用数量更多的窄索引，这对于大量查询来说可以提供更好的性能。

迭代器模式（Iterator Pattern）
在面向对象的软件设计中，我们经常会遇到一类集合对象，这类集合对象的内部结构可能有着各种各样的实现，但是归结起来，无非有两点是需要我们去关心的：一是集合内部的数据存储结构，二是遍历集合内部的数据。面向对象设计原则中有一条是类的单一职责原则，所以我们要尽可能的去分解这些职责，用不同的类去承担不同的职责。Iterator模式就是分离了集合对象的遍历行为，抽象出一个迭代器类来负责，这样既可以做到不暴露集合的内部结构，又可让外部代码透明的访问集合内部的数据。

意图

提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。[GOF 《设计模式》]

结构图

Iterator模式结构图如下：

图1  Iterator模式结构图

生活中的例子

迭代器提供一种方法顺序访问一个集合对象中各个元素，而又不需要暴露该对象的内部表示。在早期的电视机中，一个拨盘用来改变频道。当改变频道时，需要手工转动拨盘移过每一个频道，而不论这个频道是否有信号。现在的电视机，使用[后一个]和[前一个]按钮。当按下[后一个]按钮时，将切换到下一个预置的频道。想象一下在陌生的城市中的旅店中看电视。当改变频道时，重要的不是几频道，而是节目内容。如果对一个频道的节目不感兴趣，那么可以换下一个频道，而不需要知道它是几频道。

图2  使用选频器做例子的Iterator模式对象图

原型（Prototype）模式

原型模式的用意是：通过给出一个原型对象来指明所要创建的对象类型，然后用复制这个原型对象的办法创建出更多的同类型对象。

从孙大圣的手段谈起

孙悟空在与黄风怪的战斗中，"使一个身外身的手段：把毫毛揪下一把，用口嚼得粉碎，望上一喷，叫声'变'，变有百十个行者，都是一样得打扮，各执一根铁棒，把那怪围在空中。"换而言之，孙悟空可以根据自己的形象，复制出很多"身外身"来。

老孙这种身外身的手段在面向对象设计领域里叫原型（Prototype）模式。

C#对原型模式的支持

在C#里面，我们可以很容易的通过Clone()方法实现原型模式。任何类，只要想支持克隆，必须实现C#中的ICloneable接口。ICloneable接口中有一Clone方法，可以在类中复写实现自定义的克隆方法。克隆的实现方法有两种：浅拷贝（shallow copy）与深拷贝（deep copy）。

（以下摘自：《.NET框架程序设计（修订版）》，李建忠译）浅拷贝是指当对象的字段值被拷贝时，字段引用的对象不会被拷贝。例如，如果一个对象有一个指向字符串的字段，并且我们对该对象做了一个浅拷贝，那么两个对象将引用同一个字符串。而深拷贝是对对象实例中字段引用的对象也进行拷贝的一种方式，所以如果一个对象有一个指向字符串的字段，并且我们对该对象做了一个深拷贝的话，我们将创建一个新的对象和一个新的字符串--新对象将引用新字符串。需要注意的是执行深拷贝后，原来的对象和新创建的对象不会共享任何东西；改变一个对象对另外一个对象没有任何影响。

Prototype模式的结构：

 

客户（Client）角色：客户类提出创建对象的请求。
抽象原型（Prototype）角色：这是一个抽象角色，通常由一个C#接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体原型类所需的接口。在C#中，抽象原型角色通常实现了ICloneable接口。
具体原型（Concrete Prototype）角色：被复制的对象。此角色需要实现抽象原型角色所要求的接口。

建造者（Builder）模式

建造者模式可以将一个产品的内部表象与产品的生成过程分割开来，从而可以使一个建造过程生成具有不同的内部表象的产品对象。

对象性质的建造

有些情况下，一个对象会有一些重要的性质，在它们没有恰当的值之前，对象不能作为一个完整的产品使用。比如，一个电子邮件有发件人地址、收件人地址、主题、内容、附录等部分，而在最起码的收件人地址未被赋值之前，这个电子邮件不能发出。

有些情况下，一个对象的一些性质必须按照某个顺序赋值才有意义。在某个性质没有赋值之前，另一个性质则无法赋值。这些情况使得性质本身的建造涉及到复杂的商业逻辑。

这时候，此对象相当于一个有待建造的产品，而对象的这些性质相当于产品的零件，建造产品的过程就是组合零件的过程。由于组合零件的过程很复杂，因此，这些"零件"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全部零件都建造完毕的产品对象。

命名的考虑

之所以使用"建造者"而没有用"生成器"就是因为用零件生产产品，"建造"更为合适，"创建"或"生成"不太恰当。

Builder模式的结构：

 

建造者（Builder）角色：给出一个抽象接口，以规范产品对象的各个组成成分的建造。一般而言，此接口独立于应用程序的商业逻辑。模式中直接创建产品对象的是具体建造者（ConcreteBuilder）角色。具体建造者类必须实现这个接口所要求的方法：一个是建造方法，另一个是结果返还方法。

具体建造者（Concrete Builder）角色：担任这个角色的是于应用程序紧密相关的类，它们在应用程序调用下创建产品实例。这个角色主要完成的任务包括：

• 实现Builder角色提供的接口，一步一步完成创建产品实例的过程。
• 在建造过程完成后，提供产品的实例。

指导者（Director）角色：担任这个角色的类调用具体建造者角色以创建产品对象。导演者并没有产品类的具体知识，真正拥有产品类的具体知识的是具体建造者对象。

产品（Product）角色：产品便是建造中的复杂对象。

指导者角色是于客户端打交道的角色。导演者角色将客户端创建产品的请求划分为对各个零件的建造请求，再将这些请求委派给具体建造者角色。具体建造者角色是做具体建造工作的，但却不为客户端所知。

简单工厂（Simple Factory）模式

Simple Factory模式根据提供给它的数据，返回几个可能类中的一个类的实例。通常它返回的类都有一个公共的父类和公共的方法。

Simple Factory模式实际上不是GoF 23个设计模式中的一员。

Simple Factory模式角色与结构：

工厂类角色Creator (LightSimpleFactory)：工厂类在客户端的直接控制下（Create方法）创建产品对象。

抽象产品角色Product (Light)：定义简单工厂创建的对象的父类或它们共同拥有的接口。可以是一个类、抽象类或接口。

具体产品角色ConcreteProduct (BulbLight, TubeLight)：定义工厂具体加工出的对象。

抽象工厂（Abstract Factory）模式

抽象工厂模式是所有形态的工厂模式中最为抽象和最具一般性的一种形态。

为了方便引进抽象工厂模式，引进一个新概念：产品族（Product Family）。所谓产品族，是指位于不同产品等级结构，功能相关联的产品组成的家族。如图：

 

图中一共有四个产品族，分布于三个不同的产品等级结构中。只要指明一个产品所处的产品族以及它所属的等级结构，就可以唯一的确定这个产品。

引进抽象工厂模式

所谓的抽象工厂是指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。如果用图来描述的话，如下图：

 

 Abstract Factory模式的结构：

 

图中描述的东西用产品族描述如下：

 

抽象工厂（Abstract Factory）角色：担任这个角色的是工厂方法模式的核心，它是与应用系统商业逻辑无关的。

具体工厂（Concrete Factory）角色：这个角色直接在客户端的调用下创建产品的实例。这个角色含有选择合适的产品对象的逻辑，而这个逻辑是与应用系统的商业逻辑紧密相关的。

抽象产品（Abstract Product）角色：担任这个角色的类是工厂方法模式所创建的对象的父类，或它们共同拥有的接口。

具体产品（Concrete Product）角色：抽象工厂模式所创建的任何产品对象都是某一个具体产品类的实例。这是客户端最终需要的东西，其内部一定充满了应用系统的商业逻辑。

工厂方法（Factory Method）模式

工厂方法（FactoryMethod）模式是类的创建模式，其用意是定义一个创建产品对象的工厂接口，将实际创建工作推迟到子类中。

工厂方法模式是简单工厂模式的进一步抽象和推广。由于使用了多态性，工厂方法模式保持了简单工厂模式的优点，而且克服了它的缺点。

在工厂方法模式中，核心的工厂类不再负责所有产品的创建，而是将具体创建工作交给子类去做。这个核心类仅仅负责给出具体工厂必须实现的接口，而不接触哪一个产品类被实例化这种细节。这使得工厂方法模式可以允许系统在不修改工厂角色的情况下引进新产品。

在Factory Method模式中，工厂类与产品类往往具有平行的等级结构，它们之间一一对应。

Factory Method模式角色与结构：

 

抽象工厂（Creator）角色：是工厂方法模式的核心，与应用程序无关。任何在模式中创建的对象的工厂类必须实现这个接口。

具体工厂（Concrete Creator）角色：这是实现抽象工厂接口的具体工厂类，包含与应用程序密切相关的逻辑，并且受到应用程序调用以创建产品对象。在上图中有两个这样的角色：BulbCreator与TubeCreator。

抽象产品（Product）角色：工厂方法模式所创建的对象的超类型，也就是产品对象的共同父类或共同拥有的接口。在上图中，这个角色是Light。

具体产品（Concrete Product）角色：这个角色实现了抽象产品角色所定义的接口。某具体产品有专门的具体工厂创建，它们之间往往一一对应。

访问者（Visitor）模式

访问者模式的目的是封装一些施加于某种数据结构元素之上的操作。一旦这些操作需要修改的话，接受这个操作的数据结构则可以保持不变。

问题提出

System.Collection命名空间下提供了大量集合操作对象。但大多数情况下处理的都是同类对象的聚集。换言之，在聚集上采取的操作都是一些针对同类型对象的同类操作。但是如果针对一个保存有不同类型对象的聚集采取某种操作该怎么办呢？

粗看上去，这似乎不是什么难题。可是如果需要针对一个包含不同类型元素的聚集采取某种操作，而操作的细节根据元素的类型不同而有所不同时，就会出现必须对元素类型做类型判断的条件转移语句。这个时候，使用访问者模式就是一个值得考虑的解决方案。

访问者模式

访问者模式适用于数据结构相对未定的系统，它把数据结构和作用于结构上的操作之间的耦合解脱开，使得操作集合可以相对自由地演化。

数据结构的每一个节点都可以接受一个访问者的调用，此节点向访问者对象传入节点对象，而访问者对象则反过来执行节点对象的操作。这样的过程叫做"双重分派"。节点调用访问者，将它自己传入，访问者则将某算法针对此节点执行。

双重分派意味着施加于节点之上的操作是基于访问者和节点本身的数据类型，而不仅仅是其中的一者。

访问者模式的结构

如下图所示，这个静态图显示了有两个具体访问者和两个具体节点的访问者模式的设计，必须指出的是，具体访问者的数目与具体节点的数目没有任何关系，虽然在这个示意性的系统里面两者的数目都是两个。

访问者模式涉及到抽象访问者角色、具体访问者角色、抽象节点角色、具体节点角色、结构对象角色以及客户端角色。

• 抽象访问者（Visitor）角色：声明了一个或者多个访问操作，形成所有的具体元素角色必须实现的接口。
• 具体访问者（ConcreteVisitor）角色：实现抽象访问者角色所声明的接口，也就是抽象访问者所声明的各个访问操作。
• 抽象节点（Node）角色：声明一个接受操作，接受一个访问者对象作为一个参量。
• 具体节点（Node）角色：实现了抽象元素所规定的接受操作。
• 结构对象（ObiectStructure）角色：有如下的一些责任，可以遍历结构中的所有元素；如果需要，提供一个高层次的接口让访问者对象可以访问每一个元素；如果需要，可以设计成一个复合对象或者一个聚集，如列（List）或集合（Set）。

适配器（Adapter）模式

适配器模式把一个类的接口变换成客户端所期待的另一种接口，从而使原本接口不匹配而无法在一起工作的两个类能够在一起工作。

名称由来

这很像变压器（Adapter），变压器把一种电压变换成另一种电压。美国的生活用电电压是110V，而中国的电压是220V。如果要在中国使用美国电器，就必须有一个能把220V电压转换成110V电压的变压器。这个变压器就是一个Adapter。

Adapter模式也很像货物的包装过程：被包装的货物的真实样子被包装所掩盖和改变，因此有人把这种模式叫做包装（Wrapper）模式。事实上，大家经常写很多这样的Wrapper类，把已有的一些类包装起来，使之有能满足需要的接口。

适配器模式的两种形式

适配器模式有类的适配器模式和对象的适配器模式两种。我们将分别讨论这两种Adapter模式。

 类的Adapter模式的结构：

 

由图中可以看出，Adaptee类没有Request方法，而客户期待这个方法。为了使客户能够使用Adaptee类，提供一个中间环节，即类Adapter类，Adapter类实现了Target接口，并继承自Adaptee，Adapter类的Request方法重新封装了Adaptee的SpecificRequest方法，实现了适配的目的。

因为Adapter与Adaptee是继承的关系，所以这决定了这个适配器模式是类的。

该适配器模式所涉及的角色包括：

目标（Target）角色：这是客户所期待的接口。因为C#不支持多继承，所以Target必须是接口，不可以是类。
源（Adaptee）角色：需要适配的类。
适配器（Adapter）角色：把源接口转换成目标接口。这一角色必须是类。

对象的Adapter模式的结构：

 

从图中可以看出：客户端需要调用Request方法，而Adaptee没有该方法，为了使客户端能够使用Adaptee类，需要提供一个包装（Wrapper）类Adapter。这个包装类包装了一个Adaptee的实例，从而将客户端与Adaptee衔接起来。由于Adapter与Adaptee是委派关系，这决定了这个适配器模式是对象的。

该适配器模式所涉及的角色包括：

目标（Target）角色：这是客户所期待的接口。目标可以是具体的或抽象的类，也可以是接口。
源（Adaptee）角色：需要适配的类。
适配器（Adapter）角色：通过在内部包装（Wrap）一个Adaptee对象，把源接口转换成目标接口。

合成（Composite）模式

合成模式有时又叫做部分－整体模式（Part-Whole）。合成模式将对象组织到树结构中，可以用来描述整体与部分的关系。合成模式可以使客户端将单纯元素与复合元素同等看待。

从和尚的故事谈起

这是小时候我奶奶讲的故事：从前有个山，山里有个庙，庙里有个老和尚在给小和尚讲故事，讲的什么故事呢？从前有个山，山里有个庙……。奶奶的故事要循环多少次，根据你多长时间睡着而定。在故事中有山、有庙、有和尚、有故事。因此，故事的角色有两种：一种里面没有其它角色；另一种内部有其它角色。

对象的树结构

一个树结构由两种节点组成：树枝节点和树叶节点。树枝节点可以有子节点，而一个树叶节点不可以有子节点。除了根节点外，其它节点有且只有一个父节点。

注意：一个树枝节点可以不带任何叶子，但是它因为有带叶子的能力，因此仍然是树枝节点，而不会成为叶节点。一个树叶节点永远不可能带有子节点。

合成模式概述

下图所示的类图省略了各个角色的细节。

 

可以看出，上面的类图结构涉及到三个角色：

• 抽象构件（Component）角色：这是一个抽象角色，它给参与组合的对象规定一个接口。这个角色给出共有接口及其默认行为。
• 树叶构件（Leaf）角色：代表参加组合的树叶对象。一个树叶对象没有下级子对象。
• 树枝构件（Composite）角色：代表参加组合的有子对象的对象，并给出树枝构件对象的行为。

可以看出，Composite类型的对象可以包含其它Component类型的对象。换而言之，Composite类型对象可以含有其它的树枝（Composite）类型或树叶（Leaf）类型的对象。

合成模式的实现根据所实现接口的区别分为两种形式，分别称为安全模式和透明模式。合成模式可以不提供父对象的管理方法，但合成模式必须在合适的地方提供子对象的管理方法（诸如：add、remove、getChild等）。

透明方式

作为第一种选择，在Component里面声明所有的用来管理子类对象的方法，包括add（）、remove（），以及getChild（）方法。这样做的好处是所有的构件类都有相同的接口。在客户端看来，树叶类对象与合成类对象的区别起码在接口层次上消失了，客户端可以同等同的对待所有的对象。这就是透明形式的合成模式。

这个选择的缺点是不够安全，因为树叶类对象和合成类对象在本质上是有区别的。树叶类对象不可能有下一个层次的对象，因此add（）、remove（）以及getChild（）方法没有意义，是在编译时期不会出错，而只会在运行时期才会出错。

安全方式

第二种选择是在Composite类里面声明所有的用来管理子类对象的方法。这样的做法是安全的做法，因为树叶类型的对象根本就没有管理子类对象的方法，因此，如果客户端对树叶类对象使用这些方法时，程序会在编译时期出错。

这个选择的缺点是不够透明，因为树叶类和合成类将具有不同的接口。

这两个形式各有优缺点，需要根据软件的具体情况做出取舍决定。

安全式的合成模式的结构

安全式的合成模式要求管理聚集的方法只出现在树枝构件类中，而不出现在树叶构件中。

 

这种形式涉及到三个角色：

• 抽象构件(Component)角色：这是一个抽象角色，它给参加组合的对象定义出公共的接口及其默认行为，可以用来管理所有的子对象。在安全式的合成模式里，构件角色并不是定义出管理子对象的方法，这一定义由树枝构件对象给出。
• 树叶构件（Leaf）角色：树叶对象是没有下级子对象的对象，定义出参加组合的原始对象的行为。
• 树枝构件（Composite）角色：代表参加组合的有下级子对象的对象。树枝对象给出所有的管理子对象的方法，如add（）、remove（）、getChild（）等。

装饰（Decorator）模式

装饰（Decorator）模式又名包装（Wrapper）模式[GOF95]。装饰模式以对客户端透明的方式扩展对象的功能，是继承关系的一个替代方案。

引言

孙悟空有七十二般变化，他的每一种变化都给他带来一种附加的本领。他变成鱼儿时，就可以到水里游泳；他变成雀儿时，就可以在天上飞行。而不管悟空怎么变化，在二郎神眼里，他永远是那只猢狲。

装饰模式以对客户透明的方式动态地给一个对象附加上更多的责任。换言之，客户端并不会觉得对象在装饰前和装饰后有什么不同。装饰模式可以在不使用创造更多子类的情况下，将对象的功能加以扩展。

装饰模式的结构

装饰模式使用原来被装饰的类的一个子类的实例，把客户端的调用委派到被装饰类。装饰模式的关键在于这种扩展是完全透明的。

在孙猴子的例子里，老孙变成的鱼儿相当于老孙的子类，这条鱼儿与外界的互动要通过"委派"，交给老孙的本尊，由老孙本尊采取行动。

装饰模式的类图如下图所示：

 

在装饰模式中的各个角色有：

• 抽象构件（Component）角色：给出一个抽象接口，以规范准备接收附加责任的对象。
• 具体构件（Concrete Component）角色：定义一个将要接收附加责任的类。
• 装饰（Decorator）角色：持有一个构件（Component）对象的实例，并定义一个与抽象构件接口一致的接口。
• 具体装饰（Concrete Decorator）角色：负责给构件对象"贴上"附加的责任。

代理（Proxy）模式

代理（Proxy）模式给某一个对象提供一个代理，并由代理对象控制对原对象的引用。

代理模式的英文叫做Proxy或Surrogate，中文都可译成"代理"。所谓代理，就是一个人或者一个机构代表另一个人或者另一个机构采取行动。在一些情况下，一个客户不想或者不能够直接引用一个对象，而代理对象可以在客户端和目标对象之间起到中介的作用。

代理的种类

如果按照使用目的来划分，代理有以下几种：

• 远程（Remote）代理：为一个位于不同的地址空间的对象提供一个局域代表对象。这个不同的地址空间可以是在本机器中，也可是在另一台机器中。远程代理又叫做大使（Ambassador）。
• 虚拟（Virtual）代理：根据需要创建一个资源消耗较大的对象，使得此对象只在需要时才会被真正创建。
• Copy-on-Write代理：虚拟代理的一种。把复制（克隆）拖延到只有在客户端需要时，才真正采取行动。
• 保护（Protect or Access）代理：控制对一个对象的访问，如果需要，可以给不同的用户提供不同级别的使用权限。
• Cache代理：为某一个目标操作的结果提供临时的存储空间，以便多个客户端可以共享这些结果。
• 防火墙（Firewall）代理：保护目标，不让恶意用户接近。
• 同步化（Synchronization）代理：使几个用户能够同时使用一个对象而没有冲突。
• 智能引用（Smart Reference）代理：当一个对象被引用时，提供一些额外的操作，比如将对此对象调用的次数记录下来等。

在所有种类的代理模式中，虚拟（Virtual）代理、远程（Remote）代理、智能引用代理（Smart Reference Proxy）和保护（Protect or Access）代理是最为常见的代理模式。

远程代理的例子

Achilles是一个用来测试网站的安全性能的工具软件。Achilles相当于位于客户端的的一个桌面代理服务器，在一个HTTP过程里起到一个中间人的作用，但是Achilles与通常的代理服务器又有不同。Achilles截获双向的通信数据，使得Achilles软件的用户可以改变来自和发往网络服务器的数据，甚至可以拦截并修改SSL通讯。（这点在《Java与模式》中解释的不是很清楚，关于对非对称密钥加密拦截、破解方法，可以参考我的另外一篇文章《通过代理截取并修改非对称密钥加密信息》）。

另外一个例子就是Windows的快捷方式。快捷方式是它所引用的程序的一个代理。

代理模式的结构

代理模式的类图如下图所示：

代理模式所涉及的角色有：

抽象主题角色（Subject）：声明了真实主题和代理主题的共同接口，这样一来在任何使用真实主题的地方都可以使用代理主题。

代理主题（Proxy）角色：代理主题角色内部含有对真是主题的引用，从而可以在任何时候操作真实主题对象；代理主题角色提供一个与真实主题角色相同的接口，以便可以在任何时候都可以替代真实主体；控制真实主题的应用，负责在需要的时候创建真实主题对象（和删除真实主题对象）；代理角色通常在将客户端调用传递给真实的主题之前或之后，都要执行某个操作，而不是单纯的将调用传递给真实主题对象。

真实主题角色（RealSubject）角色：定义了代理角色所代表的真实对象。

 门面（Facade）模式

外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的门面(Facade)对象进行，这就是门面模式。

医院的例子

用一个例子进行说明，如果把医院作为一个子系统，按照部门职能，这个系统可以划分为挂号、门诊、划价、化验、收费、取药等。看病的病人要与这些部门打交道，就如同一个子系统的客户端与一个子系统的各个类打交道一样，不是一件容易的事情。

首先病人必须先挂号，然后门诊。如果医生要求化验，病人必须首先划价，然后缴款，才能到化验部门做化验。化验后，再回到门诊室。

解决这种不便的方法便是引进门面模式。可以设置一个接待员的位置，由接待员负责代为挂号、划价、缴费、取药等。这个接待员就是门面模式的体现，病人只接触接待员，由接待员负责与医院的各个部门打交道。

什么是门面模式

门面模式要求一个子系统的外部与其内部的通信必须通过一个统一的门面(Facade)对象进行。门面模式提供一个高层次的接口，使得子系统更易于使用。

就如同医院的接待员一样，门面模式的门面类将客户端与子系统的内部复杂性分隔开，使得客户端只需要与门面对象打交道，而不需要与子系统内部的很多对象打交道。

 门面模式的结构

门面模式是对象的结构模式。门面模式没有一个一般化的类图描述，下图演示了一个门面模式的示意性对象图：

 

在这个对象图中，出现了两个角色：

门面(Facade)角色：客户端可以调用这个角色的方法。此角色知晓相关的(一个或者多个)子系统的功能和责任。在正常情况下，本角色会将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统去。

子系统(subsystem)角色：可以同时有一个或者多个子系统。每一个子系统都不是一个单独的类，而是一个类的集合。每一个子系统都可以被客户端直接调用，或者被门面角色调用。子系统并不知道门面的存在，对于子系统而言，门面仅仅是另外一个客户端而已。

桥梁（Bridge）模式

桥梁模式是一个非常有用的模式，也是比较复杂的一个模式。熟悉这个模式对于理解面向对象的设计原则，包括"开－闭"原则(OCP)以及组合/聚合复用原则(CARP)都很有帮助。理解好这两个原则，有助于形成正确的设计思想和培养良好的设计风格。

注：《Java与模式》一书认为Bridge模式不是一个使用频率很高的模式，我不太赞同，我认为Bridge模式中蕴涵了很多设计模式的关键思想在里面，所以我这里采纳了《Design Patterns Explained》一书的作者Alan Shalloway与James R. Trott的观点：The Bridge pattern is quite a bit more complex than the other patterns you just learned; it is also much more useful.

桥梁模式的用意

【GOF95】在提出桥梁模式的时候指出，桥梁模式的用意是"将抽象化(Abstraction)与实现化(Implementation)脱耦，使得二者可以独立地变化"。这句话有三个关键词，也就是抽象化、实现化和脱耦。

抽象化

存在于多个实体中的共同的概念性联系，就是抽象化。作为一个过程，抽象化就是忽略一些信息，从而把不同的实体当做同样的实体对待【LISKOV94】。

实现化

抽象化给出的具体实现，就是实现化。

脱耦

所谓耦合，就是两个实体的行为的某种强关联。而将它们的强关联去掉，就是耦合的解脱，或称脱耦。在这里，脱耦是指将抽象化和实现化之间的耦合解脱开，或者说是将它们之间的强关联改换成弱关联。

将两个角色之间的继承关系改为聚合关系，就是将它们之间的强关联改换成为弱关联。因此，桥梁模式中的所谓脱耦，就是指在一个软件系统的抽象化和实现化之间使用组合/聚合关系而不是继承关系，从而使两者可以相对独立地变化。这就是桥梁模式的用意。

桥梁模式的结构

桥梁模式【GOF95】是对象的结构模式，又称为柄体(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。

下图所示就是一个实现了桥梁模式的示意性系统的结构图。

可以看出，这个系统含有两个等级结构，也就是：

• 由抽象化角色和修正抽象化角色组成的抽象化等级结构。
• 由实现化角色和两个具体实现化角色所组成的实现化等级结构。

桥梁模式所涉及的角色有：

• 抽象化(Abstraction)角色：抽象化给出的定义，并保存一个对实现化对象的引用。
• 修正抽象化(Refined Abstraction)角色：扩展抽象化角色，改变和修正父类对抽象化的定义。
• 实现化(Implementor)角色：这个角色给出实现化角色的接口，但不给出具体的实现。必须指出的是，这个接口不一定和抽象化角色的接口定义相同，实际上，这两个接口可以非常不一样。实现化角色应当只给出底层操作，而抽象化角色应当只给出基于底层操作的更高一层的操作。
• 具体实现化(Concrete Implementor)角色：这个角色给出实现化角色接口的具体实现。

职责链（Chain of Responsibility）模式

责任链模式是一种对象的行为模式【GOF95】。在责任链模式里，很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递，直到链上的某一个对象决定处理此请求。发出这个请求的客户端并不知道链上的哪一个对象最终处理这个请求，这使得系统可以在不影响客户端的情况下动态地重新组织链和分配责任。

从击鼓传花谈起

击鼓传花是一种热闹而又紧张的饮酒游戏。在酒宴上宾客依次坐定位置，由一人击鼓，击鼓的地方与传花的地方是分开的，以示公正。开始击鼓时，花束就开始依次传递，鼓声一落，如果花束在某人手中，则该人就得饮酒。

击鼓传花便是责任链模式的应用。责任链可能是一条直线、一个环链或者一个树结构的一部分。

责任链模式的结构

 

责任链模式涉及到的角色如下所示：

抽象处理者(Handler)角色：定义出一个处理请求的接口。如果需要，接口可以定义出一个方法，以设定和返回对下家的引用。这个角色通常由一个抽象类或接口实现。

具体处理者(ConcreteHandler)角色：具体处理者接到请求后，可以选择将请求处理掉，或者将请求传给下家。由于具体处理者持有对下家的引用，因此，如果需要，具体处理者可以访问下家。

命令（Command）模式

命令（Command）模式属于对象的行为模式【GOF95】。命令模式又称为行动（Action）模式或交易（Transaction）模式。命令模式把一个请求或者操作封装到一个对象中。命令模式允许系统使用不同的请求把客户端参数化，对请求排队或者记录请求日志，可以提供命令的撤销和恢复功能。

命令模式是对命令的封装。命令模式把发出命令的责任和执行命令的责任分割开，委派给不同的对象。

每一个命令都是一个操作：请求的一方发出请求要求执行一个操作；接收的一方收到请求，并执行操作。命令模式允许请求的一方和接收的一方独立开来，使得请求的一方不必知道接收请求的一方的接口，更不必知道请求是怎么被接收，以及操作是否被执行、何时被执行，以及是怎么被执行的。

命令模式的结构

命令模式的类图如下：

 

命令模式涉及到五个角色，它们分别是：

• 客户（Client）角色：创建了一个具体命令(ConcreteCommand)对象并确定其接收者。
• 命令（Command）角色：声明了一个给所有具体命令类的抽象接口。这是一个抽象角色。
• 具体命令（ConcreteCommand）角色：定义一个接受者和行为之间的弱耦合；实现Execute()方法，负责调用接收考的相应操作。Execute()方法通常叫做执方法。
• 请求者（Invoker）角色：负责调用命令对象执行请求，相关的方法叫做行动方法。
• 接收者（Receiver）角色：负责具体实施和执行一个请求。任何一个类都可以成为接收者，实施和执行请求的方法叫做行动方法。

 

观察者（Observer）模式

观察者模式又叫做发布-订阅（Publish/Subscribe）模式、模型-视图（Model/View）模式、源-监听器（Source/Listener）模式或从属者（Dependents）模式。

观察者模式定义了一种一对多的依赖关系，让多个观察者对象同时监听某一个主题对象。这个主题对象在状态上发生变化时，会通知所有观察者对象，使它们能够自动更新自己。

一个软件系统常常要求在某一个对象的状态发生变化的时候，某些其它的对象做出相应的改变。做到这一点的设计方案有很多，但是为了使系统能够易于复用，应该选择低耦合度的设计方案。减少对象之间的耦合有利于系统的复用，但是同时设计师需要使这些低耦合度的对象之间能够维持行动的协调一致，保证高度的协作（Collaboration）。观察者模式是满足这一要求的各种设计方案中最重要的一种。

观察者模式的结构

观察者模式的类图如下：

 

可以看出，在这个观察者模式的实现里有下面这些角色：

• 抽象主题（Subject）角色：主题角色把所有对观察考对象的引用保存在一个聚集里，每个主题都可以有任何数量的观察者。抽象主题提供一个接口，可以增加和删除观察者对象，主题角色又叫做抽象被观察者（Observable）角色，一般用一个抽象类或者一个接口实现。
• 抽象观察者（Observer）角色：为所有的具体观察者定义一个接口，在得到主题的通知时更新自己。这个接口叫做更新接口。抽象观察者角色一般用一个抽象类或者一个接口实现。在这个示意性的实现中，更新接口只包含一个方法（即Update()方法），这个方法叫做更新方法。
• 具体主题（ConcreteSubject）角色：将有关状态存入具体现察者对象；在具体主题的内部状态改变时，给所有登记过的观察者发出通知。具体主题角色又叫做具体被观察者角色（Concrete Observable）。具体主题角色通常用一个具体子类实现。
• 具体观察者（ConcreteObserver）角色：存储与主题的状态自恰的状态。具体现察者角色实现抽象观察者角色所要求的更新接口，以便使本身的状态与主题的状态相协调。如果需要，具体现察者角色可以保存一个指向具体主题对象的引用。具体观察者角色通常用一个具体子类实现。

从具体主题角色指向抽象观察者角色的合成关系，代表具体主题对象可以有任意多个对抽象观察者对象的引用。之所以使用抽象观察者而不是具体观察者，意味着主题对象不需要知道引用了哪些ConcreteObserver类型，而只知道抽象Observer类型。这就使得具体主题对象可以动态地维护一系列的对观察者对象的引用，并在需要的时候调用每一个观察者共有的Update()方法。这种做法叫做"针对抽象编程"。

模板方法（Template Method）模式

准备一个抽象类，将部分逻辑以具体方法以及具体构造子的形式实现，然后声明一些抽象方法来迫使子类实现剩余的逻辑。不同的子类可以以不同的方式实现这些抽象方法，从而对剩余的逻辑有不同的实现。这就是模版方法模式的用意。

很多人可能没有想到，模版方法模式实际上是所有模式中最为常见的几个模式之一，而且很多人可能使用过模版方法模式而没有意识到自己已经使用了这个模式。模版方法模式是基于继承的代码复用的基本技术，模版方法模式的结构和用法也是面向对象设计的核心。

模版方法模式需要开发抽象类和具体子类的设计师之间的协作。一个设计师负责给出一个算法的轮廓和骨架，另一些设计师则负责给出这个算法的各个逻辑步骤。代表这些具体逻辑步骤的方法称做基本方法（primitive method）；而将这些基本法方法总汇起来的方法叫做模版方法（template method），这个设计模式的名字就是从此而来。

模版方法模式的结构

模版方法模式的静态结构如下图所示。

 

这里涉及到两个角色：

• 抽象模版（AbstractClass）角色有如下的责任：

定义了一个或多个抽象操作，以便让子类实现。这些抽象操作叫做基本操作，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

定义并实现了一个模版方法。这个模版方法一般是一个具体方法，它给出了一个顶级逻辑的骨架，而逻辑的组成步骤在相应的抽象操作中，推迟到子类实现。顶级逻辑也有可能调用一些具体方法。

• 具体模版（ConcreteClass）角色有如下的责任：

实现父类所定义的一个或多个抽象方法，它们是一个顶级逻辑的组成步骤。

每一个抽象模版角色都可以有任意多个具体模版角色与之对应，而每一个具体模版角色都可以给出这些抽象方法（也就是顶级逻辑的组成步骤）的不同实现，从而使得顶级逻辑的实现各不相同。

策略（Strategy）模式

策略模式的用意是针对一组算法，将每一个算法封装到具有共同接口的独立的类中，从而使得它们可以相互替换。策略模式使得算法可以在不影响到客户端的情况下发生变化。

假设现在要设计一个贩卖各类书籍的电子商务网站的购物车（Shopping Cat）系统。一个最简单的情况就是把所有货品的单价乘上数量，但是实际情况肯定比这要复杂。比如，本网站可能对所有的教材类图书实行每本一元的折扣；对连环画类图书提供每本7％的促销折扣，而对非教材类的计算机图书有3％的折扣；对其余的图书没有折扣。由于有这样复杂的折扣算法，使得价格计算问题需要系统地解决。

使用策略模式可以把行为和环境分割开来。环境类负责维持和查询行为类，各种算法则在具体策略类（ConcreteStrategy）中提供。由于算法和环境独立开来，算法的增减、修改都不会影响环境和客户端。当出现新的促销折扣或现有的折扣政策出现变化时，只需要实现新的策略类，并在客户端登记即可。策略模式相当于"可插入式（Pluggable）的算法"。

策略模式的结构

策略模式是对算法的包装，是把使用算法的责任和算法本身分割开，委派给不同的对象管理。策略模式通常把一个系列的算法包装到一系列的策略类里面，作为一个抽象策略类的子类。用一句话来说，就是："准备一组算法，并将每一个算法封装起来，使得它们可以互换。"

策略又称做政策（Policy）模式【GOF95】。下面是一个示意性的策略模式结构图：

 

这个模式涉及到三个角色：

• 环境（Context）角色：持有一个Strategy类的引用。
• 抽象策略（Strategy）角色：这是一个抽象角色，通常由一个接口或抽象类实现。此角色给出所有的具体策略类所需的接口。
• 具体策略（ConcreteStrategy）角色：包装了相关的算法或行为。