为何需要设计模式
设计模式的目的
- 代码重用性（相同功能的代码，不用多次编写）
- 可读性（编程规范性，便于其他程序员的阅读和理解）
- 可扩展性（当需要增加新的功能时，可以方便的实现）
- 可靠性（系统额外增加新的功能时，对原来的功能运行没有影响）
- 使程序呈现高内聚，低耦合的特性（模块内部是高度内聚紧凑的，但是模块与模块之间，功能与功能之间是低耦合的）
设计模式的重要性
-
1990年代由建筑设计领域引入到计算机科学当中，所谓设计模式就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
-
在实际工作中，新功能的添加的需求是比较普遍的，为了项目的可扩展性（设计模式需要解决的主要问题之一）、可维护性、可读性，设计模式很重要
-
设计模式在软件中出现的位置？
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] -
设计模式往往站在全局的软件设计角度来考虑问题，例如需要考虑到软件的可维护性和可拓展性等，其并不是站在功能实现的角度上来思考问题，所以在一些简单问题上的解决思路会比我们通常想的要复杂一些。
七大设计原则
单一职责原则
1.定义：不要存在多于一个导致类变更的原因。对类来说，即一个类应该只负责一项职责。
2.示例
(1)demo1
/**
* @ClassName: demo1
* @Description: 单一职责原则，方式1
* @Author:csq
* @Date 2021/12/29
* @Version 1.0
**/
public class demo1 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle vehicle = new Vehicle();
vehicle.run("摩托车");
vehicle.run("骑车");
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，因为飞机并不能在公路上运行
// 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 vehicle){
System.out.println(vehicle + "在公路上运行...");
}
}
(2)demo2
/**
* @ClassName: demo2
* @Description: 单一职责原则：方式2
* @Author:csq
* @Date 2021/12/29
* @Version 1.0
**/
public class demo2 {
public static void main(String[] args) {
RoadVehicle roadVehicle=new RoadVehicle();
roadVehicle.run("摩托车");
AirVehicle airVehicle=new AirVehicle();
airVehicle.run("飞机");
SeaVehicle seaVehicle=new SeaVehicle();
seaVehicle.run("轮船");
}
}
//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 vehicle){
System.out.println(vehicle+"在公路上运行");
}
}
class AirVehicle{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在天空上运行");
}
}
class SeaVehicle{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在水里运行");
}
}
(3)demo3
/**
* @ClassName: demo3
* @Description: 方案3
* @Author:csq
* @Date 2021/12/29
* @Version 1.0
**/
public class demo3 {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
Vehicle2 vehicle2 = new Vehicle2();
vehicle2.run("汽车");
vehicle2.runWater("轮船");
vehicle2.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 vehicle) {
//处理
System.out.println(vehicle + " 在公路上运行....");
}
public void runAir(String vehicle) {
System.out.println(vehicle + " 在天空上运行....");
}
public void runWater(String vehicle) {
System.out.println(vehicle + " 在水中行....");
}
//如果有多个方法的话，这个做法就不可取了。当方法很多时，还是需要把它分成多个类来处理
}
3.注意事项和细节
- 降低类的复杂度,一个类只负责一项职责。
- 提高类的可读性，可维护性
- 降低变更引起的风险
- 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.定义：客户端不应该依赖它不需要的接口。一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
2.示例：
- 未实现接口隔离原则：
public class Segregation1 {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
}
}
//接口
interface Interface1 {
void operation1();
void operation2();
void operation3();
void operation4();
void operation5();
}
class B implements Interface1 {
public void operation1() {System.out.println("B 实现了 operation1");}
public void operation2() {System.out.println("B 实现了 operation2");}
public void operation3() {System.out.println("B 实现了 operation3");}
public void operation4() {System.out.println("B 实现了 operation4");}
public void operation5() {System.out.println("B 实现了 operation5");}
}
class D implements Interface1 {
public void operation1() {System.out.println("D 实现了 operation1");}
public void operation2() {System.out.println("D 实现了 operation2");
}
public void operation3() {System.out.println("D 实现了 operation3");}
public void operation4() {System.out.println("D 实现了 operation4");}
public void operation5() {System.out.println("D 实现了 operation5");}
}
class A {
//A 类通过接口Interface1 依赖(使用) B类，但是只会用到1,2,3方法。
// 那么B类中的4，5方法可能就白写了
public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}
public void depend2(Interface1 i) {i.operation2();}
public void depend3(Interface1 i) {i.operation3();}
}
class C {
//C 类通过接口Interface1 依赖(使用) D类，但是只会用到1,4,5方法
//那么D类中的4，5方法可能就白写了
public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}
public void depend4(Interface1 i) {i.operation4();}
public void depend5(Interface1 i) {i.operation5();}
}
//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
- 该示例中的uml图如下所示：
- 实现了接口隔离原则
public class Segregation1 {
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
// 使用一把
A a = new A();
a.depend1(new B()); // A类通过接口去依赖B类
a.depend2(new B());
a.depend3(new B());
C c = new C();
c.depend1(new D()); // C类通过接口去依赖(使用)D类
c.depend4(new D());
c.depend5(new D());
}
}
// 接口1
interface Interface1 {void operation1();}
// 接口2
interface Interface2 {void operation2();void operation3();}
// 接口3
interface Interface3 {void operation4();void operation5();}
class B implements Interface1, Interface2 {
public void operation1() {System.out.println("B 实现了 operation1");}
public void operation2() {System.out.println("B 实现了 operation2");}
public void operation3() {System.out.println("B 实现了 operation3");}
}
class D implements Interface1, Interface3 {
public void operation1() {System.out.println("D 实现了 operation1");}
public void operation4() {System.out.println("D 实现了 operation4");}
public void operation5() {System.out.println("D 实现了 operation5");}
}
class A { // 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
public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}
public void depend2(Interface2 i) {i.operation2();}
public void depend3(Interface2 i) {i.operation3();}
}
class C { // 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
public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}
public void depend4(Interface3 i) {i.operation4();}
public void depend5(Interface3 i) {i.operation5();}
}
- 它的UML图为
依赖倒转（倒置）原则
1.定义：
（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
2.代码演示
- 未实现依赖倒转原则
public class DependecyInversion {
public static void main(String[] args) {
Person person = new Person();
person.receive(new Email());
}
}
class Email {
public String getInfo() {
return "电子邮件信息: hello,world";
}
}
//完成Person接收消息的功能
//方式1分析
//1. 简单，比较容易想到
//2. 如果我们获取的对象是 微信，短信等等，则新增类，同时Perons也要增加相应的接收方法
//3. 解决思路：引入一个抽象的接口IReceiver, 表示接收者, 这样Person类与接口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。简而言之：只要一个类实现了IReceiver接口，那这个类就可以接受消息。
class Person {
public void receive(Email email ) {
System.out.println(email.getInfo());
}
}
- 改进措施：
public class DependecyInversion {
public static void main(String[] args) {
//客户端无需改变
Person person = new Person();
person.receive(new Email());
person.receive(new WeiXin());
}
}
//定义接口
interface IReceiver {
public String getInfo();
}
class Email implements IReceiver {
public String getInfo() {
return "电子邮件信息: hello,world";
}
}
//增加微信
class WeiXin implements IReceiver {
public String getInfo() {
return "微信信息: hello,ok";
}
}
//方式2
class Person {
//这里我们是对接口的依赖，这里的receive方法接受一个接口的对象，其本质就是只要实现了这个接口的类，都可以传进来
public void receive(IReceiver receiver ) {
System.out.println(receiver.getInfo());
}
}
3.依赖关系传递的三种方式
（1）接口传递
public static void main(String[] args) {
ChangHong changHong = new ChangHong();
OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose();
openAndClose.open(changHong);
}
//方式1： 通过接口传递实现依赖
//开关的接口
interface IOpenAndClose {
public void open(ITV tv); //抽象方法,接收接口
}
interface ITV { //ITV接口
public void play();
}
class ChangHong implements ITV {
@Override
public void play() {
System.out.println("长虹电视机，打开");
}
}
// 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: 通过构造方法依赖传递
public static void main(String[] args) {
//通过构造器进行依赖传递
OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose(changHong);
openAndClose.open();
}
//抽象方法
interface IOpenAndClose {public void open(); }
//ITV接口
interface ITV {public void play();}
class OpenAndClose implements IOpenAndClose{
public ITV tv; //成员
public OpenAndClose(ITV tv){ //构造器
this.tv = tv;
}
public void open(){this.tv.play();}
(3)通过setter方法进行依赖传递
public static void main(String[] args) {
ChangHong changHong = new ChangHong();
OpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose();
openAndClose.setTv(changHong);
openAndClose.open();
}
interface IOpenAndClose {
public void open(); // 抽象方法
public void setTv(ITV tv);
}
interface ITV { // ITV接口public void play();}
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
private ITV tv;
public void setTv(ITV tv) {this.tv = tv;}
public void open() {this.tv.play();}
}
class ChangHong implements ITV {
@Override
public void play() {System.out.println("长虹电视机，打开");}
}
4.依赖倒转原则的注意事项和细节
（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
里氏替换原则
1.定义：
（1）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。
（2）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
（3）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。
（2）代码
- 错误做法
因为B无意中重写了父类的方法，导致父类中的相减函数无法正常的被调用。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。
- 正确做法
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
public class Liskov {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
B b = new B();
//因为B类不再继承A类，因此调用者，不会再认为func1是求减法
//调用完成的功能就会很明确
System.out.println("11+3=" + b.func1(11, 3));//这里本意是求出11+3
System.out.println("1+8=" + b.func1(1, 8));// 1+8
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
//使用组合仍然可以使用到A类相关方法
System.out.println("11-3=" + b.func3(11, 3));// 这里本意是求出11-3
}
}
//创建一个更加基础的基类
class Base {
//把更加基础的方法和成员写到Base类
}
// A类
class A extends Base {
// 返回两个数的差
public int func1(int num1, int num2) {return num1 - num2;}
}
// B类继承了A
// 增加了一个新功能：完成两个数相加,然后和9求和
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 = new A();
//这里，重写了A类的方法, 可能是无意识
public int func1(int a, int b) {return a + b;}
public int func2(int a, int b) {return func1(a, b) + 9;}
//我们仍然想使用A的方法
public int func3(int a, int b) {return this.a.func1(a, b);}
}
开闭原则
- 最基础、最重要的设计原则，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。
1.定义：
（1）一个软件实体如类，模块和函数应该对扩展开放(对提供方)，对修改关闭(对使用方)。用抽象构建框架，用实现扩展细节。（比如我有一个已经上线的软件，用户已经在使用嘞，当我对软件进行拓展功能时不会影响用户使用旧的功能）
（2）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。
2.例子
- 反面教材
public class Test {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
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");}}
class Shape {
int m_type;
}
class Rectangle extends Shape {
Rectangle() {
super.m_type = 1;
}
}
class Circle extends Shape {
Circle() {
super.m_type = 2;
}
}
当我们需要新增一个图形，比如三角形是，需要改动很多代码。不符合ocp原则。
- 正确做法
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
public class Ocp {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
graphicEditor.drawShape(new Triangle());
graphicEditor.drawShape(new OtherGraphic());
}
}
//这是一个用于绘图的类 [使用方]
class GraphicEditor {
//接收Shape对象，调用draw方法。直接调用传入的对象所实现的方法即可
public void drawShape(Shape s) {s.draw();}
}
//Shape类，基类
abstract class Shape {
int m_type;
public abstract void draw();//抽象方法
}
class Rectangle extends Shape {
Rectangle() {super.m_type = 1;}
@Override
public void draw() {System.out.println(" 绘制矩形 ");}
}
class Circle extends Shape {
Circle() {super.m_type = 2;}
@Override
public void draw() {System.out.println(" 绘制圆形 ");}
}
//新增画三角形
class Triangle extends Shape {
Triangle() {super.m_type = 3;}
@Override
public void draw() {System.out.println(" 绘制三角形 ");}
}
//新增一个图形
class OtherGraphic extends Shape {
OtherGraphic() {super.m_type = 4;}
@Override
public void draw() {System.out.println(" 绘制其它图形 ");}
}
迪米特法则
- 一个对象应该对其他对象保持最少的了解，类与类关系越密切，耦合度越大。
1.定义：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。
- 更简单的定义：每个类只与直接的朋友通信。
何为直接的朋友？
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。
总结下来就是陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。
2.示例
- 未遵循迪米特法则的例子：
//客户端
public class Demeter1 {
public static void main(String[] args) {
//创建了一个 SchoolManager 对象
SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
//输出学院的员工id 和 学校总部的员工信息
schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
}
}
//学校总部员工类
class Employee {
private String id;
public void setId(String id) {this.id = id;}
public String getId() {return id;}
}
//学院的员工类
class CollegeEmployee {
private String id;
public void setId(String id) {this.id = id;}
public String getId() {return id;}
}
//管理学院员工的管理类
class CollegeManager {
//返回学院的所有员工
public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
for (int i = 0; i < 10; i++) { //这里我们增加了10个员工到 list
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
}
//学校管理类
//分析 SchoolManager 类的直接朋友类有哪些 Employee（因为在getAllEmployee方法中作为了方法的返回值）、CollegeManager（在printAllEmployee方法中作为了方法的参数）
//CollegeEmployee 不是直接朋友而是一个陌生类，这样违背了迪米特法则
class SchoolManager {
//返回学校总部的员工
public List<Employee> getAllEmployee() {
List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
for (int i = 0; i < 5; i++) { //这里我们增加了5个员工到 list
Employee emp = new Employee();
emp.setId("学校总部员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id)
void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
//分析问题
//1. 这里的 CollegeEmployee 不是 SchoolManager的直接朋友
//2. CollegeEmployee 是以局部变量方式出现在 SchoolManager
//3. 违反了 迪米特法则
//获取到学院员工
List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
for (CollegeEmployee e : list1) {
System.out.println(e.getId());
}
//获取到学校总部员工
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
for (Employee e : list2) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
- 正确做法是：将使用了陌生类的那段代码集成出来到直接的朋友类中（即CollegeManager）。即将printAllEmployee方法和CollegeManager方法改为：
class CollegeManager {
//返回学院的所有员工
public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
for (int i = 0; i < 10; i++) { //这里我们增加了10个员工到 list
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//输出学院员工的信息
public void printEmployee() {
//获取到学院员工
List<CollegeEmployee> list1 = getAllEmployee();
for (CollegeEmployee e : list1) {System.out.println(e.getId());}
}
}
class SchoolManager {
//返回学校总部的员工
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;
}
//该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id)
void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
//分析问题
//1. 将输出学院的员工方法，封装到CollegeManager
sub.printEmployee();
//获取到学校总部员工
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
System.out.println("------------学校总部员工------------");
for (Employee e : list2) {System.out.println(e.getId());}
}
}
- 迪米特法则的核心是降低类之间的耦合。
- 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
1.定义：尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承（合成、聚合在UML图中有讲解）
2.举个例子：
假如现在有一个A类，A类中有3个方法，而B想用A中的三个方法，一般有四种方式来实现：继承、依赖、合成、组合
- 使用继承（不推荐！）
这样B继承了A，但是耦合性大大加强了，不利于后续的拓展。
- 使用依赖，将A作为参数传到B中。
- 使用合成，将A作为成员变量合成进B中，但成员变量不初始化，而是通过set方式来初始化。
- 使用组合，将A也作为成员变量组合进B中，并且声明的同时就进行初始化
总结七大原则
可以总结为3点
1.找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不怎么会变化的代码混在一起。（单一职责原则）
2.针对接口编程，而不是针对实现编程。（依赖倒转原则、接口隔离原则）
3.为了交互对象之间的松耦合设计而努力（迪米特法则、合成复用原则、开闭原则、里氏替换原则）
浙公网安备 33010602011771号