尚硅谷Java设计模式
设计模式目的
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），具有更好的
1）可复用性（即：相同功能的代码，不用多次编写，也叫做代码重用性）
2）可读性（即：编程规范性，便于其他程序员的阅读和理解）
3）可扩展性（即：当需要增加新的功能时，非常的方便，也叫做可维护性）
4）可靠性（即：当我们增加新的功能后，对原来的功能没有影响）
5）使程序呈现高内聚，低耦合的特性
设计模式七大原则
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）设计模式
常用的七大原则有：
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
6）迪米特法则
7）合成复用原则
单一职责原则
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
方案1
public class SingleResponsibility1 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle vehicle = new Vehicle();
vehicle.run("汽车");
vehicle.run("轮船");
vehicle.run("飞机");
}
}
/**
* 方式1的分析
* 1.在方式1的run方法中，违反了单一职责原则
* 2.解决的方案非常的简单，根据交通工具运行方法不同，分解成不同类即可
*/
class Vehicle{
public void run(String type){
if ("汽车".equals(type)) {
System.out.println(type + "在公路上运行...");
} else if ("轮船".equals(type)) {
System.out.println(type + "在水面上运行...");
} else if ("飞机".equals(type)) {
System.out.println(type + "在天空上运行...");
}
}
}
方案2
public class SingleResponsibility2 {
public static void main(String[] args) {
RoadVehicle roadVehicle = new RoadVehicle();
roadVehicle.run("汽车");
WaterVehicle waterVehicle = new WaterVehicle();
waterVehicle.run("轮船");
AirVehicle airVehicle = new AirVehicle();
airVehicle.run("飞机");
}
}
/**
* 方案2的分析
* 1.遵守单一职责原则
* 2.但是这样做的改动很大，即将类分解，同时修改客户端
* 3.改进：直接修改Vehicle类，改动的代码会比较少=>方案3
*/
class RoadVehicle{
public void run(String type){
System.out.println(type + "在公路上运行...");
}
}
class WaterVehicle{
public void run(String type){
System.out.println(type + "在水面上运行...");
}
}
class AirVehicle{
public void run(String type){
System.out.println(type + "在天空上运行...");
}
}
方案三
public class SingleResponsibility3 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle2 vehicle = new Vehicle2();
vehicle.run("汽车");
vehicle.runWater("轮船");
vehicle.runAir("飞机");
}
}
/**
* 方式3的分析
* 1.这种修改方法没有对原来的类做大的修改，只是增加方法
* 2.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 Vehicle2{
public void run(String type){
System.out.println(type + "在公路上运行...");
}
public void runWater(String type){
System.out.println(type + "在水面上运行...");
}
public void runAir(String type){
System.out.println(type + "在天空上运行...");
}
}
总结
类分解，可能成本较高
解决方案：不在类级别上“单一职责”，往下沉，在方法级别上“单一职责”
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
接口隔离原则
1）客户端（main类）不应该依赖它不需要的接口，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上
3）类 A 通过接口 Interface1 依赖类 B，类 C 通过接口 Interface1 依赖类 D，如果接口 Interface1 对于类 A 和类 C 来说不是最小接口，那么类 B 和类 D 必须去实现他们不需要的方法
4）按隔离原则应当这样处理：将接口 Interface1 拆分为独立的几个接口，类 A 和类 C 分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则
问题与改进
1）类 A 通过接口 Interface1 依赖类 B，类 C 通过接口 Interface1 依赖类 D，如果接口 Interface1 对于类 A 和类 C 来说不是最小接口，那么类 B 和类 D 必须去实现他们不需要的方法
2）将接口 Interface1 拆分为独立的几个接口，类 A 和类 C 分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则
3）接口 Interface1 中出现的方法，根据实际情况拆分为三个接口
4）代码实现
interface Interface1 {
void operation1();
}
interface Interface2 {
void operation2();
void operation3();
}
interface Interface3 {
void operation4();
void operation5();
}
class B implements Interface1, Interface2 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("B 实现了 operation1");
}
@Override
public void operation2() {
System.out.println("B 实现了 operation2");
}
@Override
public void operation3() {
System.out.println("B 实现了 operation3");
}
}
class D implements Interface1, Interface3 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("D 实现了 operation1");
}
@Override
public void operation4() {
System.out.println("D 实现了 operation4");
}
@Override
public void operation5() {
System.out.println("D 实现了 operation5");
}
}
/**
* A类通过接口Interface1,Interface2依赖（使用）B类，但是只会用到1，2，3方法
*/
class A {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend2(Interface2 i) {
i.operation2();
}
public void depend3(Interface2 i) {
i.operation3();
}
}
/**
* C类通过接口Interface1,Interface3依赖（使用）D类，但是只会用到1，4，5方法
*/
class C {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend4(Interface3 i) {
i.operation4();
}
public void depend5(Interface3 i) {
i.operation5();
}
依赖倒转原则
基本介绍
1）高层模块（业务模块）不应该依赖低层模块（具体实现模块），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
依赖关系传递的三种方式
1）接口传递
//方式1：通过接口传递实现依赖
//开关的接口
interface IOpenAndClose {
void open(ITV tv);//抽象方法，接收接口
}
//ITV接口
interface ITV {
void play();
}
//实现接口
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
public void open(ITV tv){
tv.play();
}
}
2）构造方法传递
//方式2：通过构造函数实现依赖
//开关的接口
interface IOpenAndClose {
void open();//抽象方法
}
//ITV接口
interface ITV {
public void play();
}
//实现接口
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
private ITV tv; // 成员
public OpenAndClose(ITV tv){ // 构造器
this.tv = tv;
}
public void open(){
this.tv.play();
}
}
3）setter 方式传递
//方式3，通过setter方法传递
interface IOpenAndClose{
void open();//抽象方法
void setTv(ITV tv);
}
//ITV接口
interface ITV{
void play();
}
//实现接口
class OpenAndClose implements IOpenAndClose{
private ITV tv;
public void setTv(ITV tv){
this.tv=tv;
}
public void open(){
this.tv.play();
}
}
注意事项和细节
1）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
2）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
3）继承时遵循里氏替换原则
上面的案例有点难理解，再补充以下案例
传统方式，低层模块和高层模块直接相互依赖
// 低层模块
class LightBulb {
public void turnOn() {
System.out.println("LightBulb: 灯打开了...");
}
public void turnOff() {
System.out.println("LightBulb: 灯关闭了...");
}
}
// 高层模块直接依赖低层模块
class ElectricPowerSwitch {
private LightBulb bulb;
private boolean on;
public ElectricPowerSwitch(LightBulb bulb) {
this.bulb = bulb;
this.on = false;
}
public void press() {
if (on) {
bulb.turnOff();
on = false;
} else {
bulb.turnOn();
on = true;
}
}
}
// 使用
public class Main {
public static void main(String[] args) {
LightBulb bulb = new LightBulb();
ElectricPowerSwitch switch = new ElectricPowerSwitch(bulb);
switch.press(); // 开灯
switch.press(); // 关灯
}
}
使用依赖反转，低层模块和高层模块通过接口
// 1. 定义抽象接口
interface Switchable {
void turnOn();
void turnOff();
}
// 2. 低层模块实现接口
class LightBulb implements Switchable {
@Override
public void turnOn() {
System.out.println("LightBulb: 灯打开了...");
}
@Override
public void turnOff() {
System.out.println("LightBulb: 灯关闭了...");
}
}
// 另一个低层模块也实现同一接口
class Fan implements Switchable {
@Override
public void turnOn() {
System.out.println("Fan: 风扇打开了...");
}
@Override
public void turnOff() {
System.out.println("Fan: 风扇关闭了...");
}
}
// 3. 高层模块依赖抽象接口
class ElectricPowerSwitch {
private Switchable device;
private boolean on;
public ElectricPowerSwitch(Switchable device) {
this.device = device;
this.on = false;
}
public void press() {
if (on) {
device.turnOff();
on = false;
} else {
device.turnOn();
on = true;
}
}
}
// 4. 使用
public class Main {
public static void main(String[] args) {
// 使用灯泡
Switchable bulb = new LightBulb();
ElectricPowerSwitch lightSwitch = new ElectricPowerSwitch(bulb);
lightSwitch.press(); // 开灯
lightSwitch.press(); // 关灯
// 使用风扇
Switchable fan = new Fan();
ElectricPowerSwitch fanSwitch = new ElectricPowerSwitch(fan);
fanSwitch.press(); // 开风扇
fanSwitch.press(); // 关风扇
}
}
- 定义抽象接口：先定义高层模块需要的抽象接口
- 具体实现接口：低层模块实现这些接口
- 依赖注入：高层模块通过构造函数或方法参数接收抽象接口的实例
- 松耦合：高层模块不直接依赖具体实现，只依赖抽象
这种设计使得系统更加灵活，易于扩展和维护。当需要添加新的通知方式时，只需创建新的实现类而不需要修改现有代码
里氏替换原则
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，如何正确使用继承？=>里氏替换原则
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
public void test() {
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));
System.out.println("---------------------");
B b = new B();
System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));
System.out.println("1-8=" + b.func1(1, 8));
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
}
class A {
//返回两个数的差
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
class B extends A {
@Override
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 + num2;
}
//增加了一个新功能：完成两个数相加，然后和9求和
public int func2(int num1, int num2) {
return func1(num1, num2) + 9;
}
}
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
//创建一个更加基础的基类
class Base {
//将更基础的成员和方法写到Base类中
}
class A extends Base {
//返回两个数的差
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
class B extends Base {
//如果B需要使用A类的方法，使用组合关系
private A a;
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 + num2;
}
//增加了一个新功能：完成两个数相加，然后和9求和
public int func2(int num1, int num2) {
return func1(num1, num2) + 9;
}
public int func3(int num1, int num2) {
return this.a.func1(num1, num2);
}
}
开闭原则
1）开闭原则是编程中最基础、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（对提供者而言），对修改关闭（对使用者而言）。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
class GraphicEditor {
public void drawShape(Shape s) {
if (s.m_type == 1) {
drawRectangle(s);
} else if (s.m_type == 2) {
drawCircle(s);
} else if (s.m_type == 3) {
drawTriangle(s);
}
}
public void drawRectangle(Shape r) {
System.out.println("矩形");
}
public void drawCircle(Shape r) {
System.out.println("圆形");
}
public void drawTriangle(Shape r) {
System.out.println("三角形");
}
}
class Shape {
public int m_type;
}
class RectangleShape extends Shape {
RectangleShape() {
m_type = 1;
}
}
class CircleShape extends Shape {
CircleShape() {
m_type = 2;
}
}
class TriangleShape extends Shape {
TriangleShape() {
m_type = 3;
}
}
方式 1 的优缺点
1）优点是比较好理解，简单易操作
2）缺点是违反了设计模式的 OCP 原则，即对扩展开放（提供方），对修改关闭（使用方）。即当我们给类增加新功能的时喉，尽量不修改代码，或者尽可能少修改代码
3）比如我们这时要新增加一个图形种类，我们需要做如下修改，修改的地方较多4）代码演示
方式 1 的改进的思路分析
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改，满足了开闭原则
方式 2 来解决
1）方式 2 的设计方案：定义一个 Shape 抽象类
2）看代码示例
class GraphicEditor {
public void drawShape(Shape s) {
s.draw();
}
}
abstract class Shape {
int m_type;
public abstract void draw();
}
class RectangleShape extends Shape {
RectangleShape() {
m_type = 1;
}
@Override
public void draw() {
System.out.println("矩形");
}
}
class CircleShape extends Shape {
CircleShape() {
m_type = 2;
}
@Override
public void draw() {
System.out.println("圆形");
}
}
class TriangleShape extends Shape {
TriangleShape() {
m_type = 3;
}
@Override
public void draw() {
System.out.println("三角形");
}
}
迪米特法则
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
//总部员工
class Employee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
//学院员工
class CollegeEmployee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
//学院员工管理 类
class CollegeManager {
public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<>();
CollegeEmployee collegeEmployee;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
collegeEmployee = new CollegeEmployee();
collegeEmployee.setId("学院员工id=" + i);
list.add(collegeEmployee);
}
return list;
}
}
//总部员工管理类
class SchoolManager {
public List<Employee> getAllEmployee() {
List<Employee> list = new ArrayList<>();
Employee employee;
for (int i = 0; i < 5; i++) {
employee = new Employee();
employee.setId("总部员工id=" + i);
list.add(employee);
}
return list;
}
public void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
System.out.println("--------------学院员工--------------");
List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
for (CollegeEmployee collegeEmployee : list1) {
System.out.println(collegeEmployee.getId());
}
System.out.println("---------------总部员工-------------");
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
for (Employee employee : list2) {
System.out.println(employee.getId());
}
}
}
应用实例改进
1）前面设计的问题在于 SchoolManager 中，CollegeEmployee 类并不是 SchoolManager 类的直接朋友（分析）
2）按照迪米特法则，应该避免类中出现这样非直接朋友关系的耦合
3）对代码按照迪米特法则进行改进（看老师演示）
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
合成复用原则
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
创建型模型
单例模式
八种方式
1）饿汉式（静态常量）
2）饿汉式（静态代码块）
3）懒汉式（线程不安全）
4）懒汉式（线程安全，同步方法）
5）懒汉式（线程安全，同步代码块）
6）双重检查
7）静态内部类
8）枚举
https://gitee.com/vectorx/NOTE_DesignPatterns/tree/main/创建型模式/01-单例模式
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