1 认识设计模式
1.1 什么是设计模式
所谓设计模式，就是对经常出现的软件设计问题的成熟解决方案。
很多人把设计模式想象成非常高深的概念，实际上设计模式仅仅是对特定问题的一种惯性思维。笔者见过一些学员喜欢抱着一本设计模式的书研究，以期成为一个“高手”，实际上设计模式的理解必须以足够的代码积累量作为基础，最好是经历过某种痛苦，或者正在经历一种苦痛，就会对设计模式有较深的感受。
1.2 设计模式的目的
编写软件的过程中，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拥有更好的：
- 代码可重用性。相同功能的代码，不用多次编写；
- 可读性。便于其他程序员的阅读和理解；
- 可扩展性。当需要增加新功能时，非常方便；
- 可靠性。当增加新的功能后，对原来的功能没有影响；
- 使程序呈现高内聚、低耦合的特点。
1.3 什么是设计模式的原则
设计模式原则，其实就是程序员在编程时，应当遵循的原则，也就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。
设计模式的七大原则有：
- 单一职责原则
- 接口隔离原则
- 依赖倒置原则
- 里氏替换原则
- 开闭原则
- 迪米特法则
- 合成复用原则
2 单一职责原则
2.1 什么是单一职责原则
对类来说，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需求变更而改变类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。
2.2 应用实例
方案一：
/*** 方式一的run方法中，违反了单一职责原则，* 解决的方案是根据交通工具运行方法不同，分解成不同类即可*/public class SingleResponsebility1 {public static void main(String[] args) {Vehicle vehicle = new Vehicle();vehicle.run("汽车");vehicle.run("摩托");vehicle.run("飞机");}}class Vehicle {public void run(String vehicle) {System.out.println(vehicle+"在公路上跑");}}
方案二:
/*** 方案二遵循单一职责原则* 但是这样做的改动很大，即将类分解，同时修改客户端* 改进：直接修改Vehicle类，改动的代码会比较少*/public class SingleResponsibility2 {public static void main(String[] args) {Vehicle1 vehicle1 = new Vehicle1();vehicle1.run("汽车");Vehicle2 vehicle2 = new Vehicle2();vehicle2.run("轮船");Vehicle3 vehicle3 = new Vehicle3();vehicle3.run("飞机");}}class Vehicle1{public void run(String vehicle){System.out.println(vehicle+"在地上跑");}}class Vehicle2{public void run(String vehicle){System.out.println(vehicle+"在水上跑");}}class Vehicle3{public void run(String vehicle){System.out.println(vehicle+"在天上跑");}}
方案三：
/*** 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循单一职责原则，但是在方法级别上，仍然遵守这个原则*/public class SingleResonsibility3 {public static void main(String[] args) {Vehicle4 vehicle4 = new Vehicle4();vehicle4.run("汽车");vehicle4.run2("轮船");vehicle4.run3("飞机");}}class Vehicle4{public void run(String vehicle){System.out.println(vehicle+"在地上跑");}public void run2(String vehicle){System.out.println(vehicle+"在水上跑");}public void run3(String vehicle) {System.out.println(vehicle + "在天上跑");}}
2.3 注意事项
- 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，可以在方法级别保存单一职责原则。
3 接口隔离原则
3.1 什么是接口隔离原则
客户端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。
3.2 应用实例
如图，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。
public class Segregation1 {}//接口interface Interface1 {void operation1();void operation2();void operation3();void operation4();void operation5();}class B implements Interface1 {@Overridepublic void operation1() {System.out.println("B实现了operation1");}@Overridepublic void operation2() {System.out.println("B实现了operation2");}@Overridepublic void operation3() {System.out.println("B实现了operation3");}@Overridepublic void operation4() {System.out.println("B实现了operation4");}@Overridepublic void operation5() {System.out.println("B实现了operation5");}}class D implements Interface1 {@Overridepublic void operation1() {System.out.println("D实现了operation1");}@Overridepublic void operation2() {System.out.println("D实现了operation2");}@Overridepublic void operation3() {System.out.println("D实现了operation3");}@Overridepublic void operation4() {System.out.println("D实现了operation4");}@Overridepublic void operation5() {System.out.println("D实现了operation5");}}class A {public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}public void depend2(Interface1 i) {i.operation2();}public void depend3(Interface1 i) {i.operation3();}}class C {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。
public class Segregation2 {public static void main(String[] args) {A a = new A();a.depend1(new B());a.depend2(new B());a.depend3(new B());C c = new C();c.depend1(new D());c.depend4(new D());c.depend5(new D());}}//接口interface Interface1 {void operation1();}interface Interface2 {void operation2();void operation3();}interface Interface3 {void operation4();void operation5();}class B implements Interface1, Interface2 {@Overridepublic void operation1() {System.out.println("B实现了operation1");}@Overridepublic void operation2() {System.out.println("B实现了operation2");}@Overridepublic void operation3() {System.out.println("B实现了operation3");}}class D implements Interface1, Interface3 {@Overridepublic void operation1() {System.out.println("D实现了operation1");}@Overridepublic void operation4() {System.out.println("D实现了operation4");}@Overridepublic void operation5() {System.out.println("D实现了operation5");}}class A {public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}public void depend2(Interface2 i) {i.operation2();}public void depend3(Interface2 i) {i.operation3();}}class C {public void depend1(Interface1 i) {i.operation1();}public void depend4(Interface3 i) {i.operation4();}public void depend5(Interface3 i) {i.operation5();}}
4 依赖倒转原则
4.1 什么是依赖倒转原则
依赖倒转原则是指高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象；依赖倒转的中心思想是面向接口编程。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，抽象指的是接口或者抽象类，细节就是具体的实现类。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。
4.2 应用实例
请编程完成persion接收消息的功能。
方案一：
public class DependecyInversion {public static void main(String[] args) {Persion persion = new Persion();persion.receive(new Email());}}class Email {public String getInfo() {return "电子邮件：Hello World!!!";}}class Persion {public void receive(Email e) {System.out.println(e.getInfo());}}
方案二
/*** 如果我们获取的对象是微信、短信等等，则新增类，同时Persion也要增加相应的接收方法* 解决思路：引入一个抽象的接口IReceiver，表示接收者，这样Persion类与接口IReceiver发生依赖* 因为Email、WeChat等等属于接收的范围，它们各自实现IReceiver接口就可以，这样我们就符合依赖倒转原则*/public class DependecyInversion2 {public static void main(String[] args) {Persion2 persion2 = new Persion2();persion2.receive(new Email2());persion2.receive(new WeChat());}}interface IReceiver {public String getInfo();}class Email2 implements IReceiver {@Overridepublic String getInfo() {return "电子邮件：Hello World!";}}class WeChat implements IReceiver {@Overridepublic String getInfo() {return "微信消息：Hello weixin";}}class Persion2 {public void receive(IReceiver i) {System.out.println(i.getInfo());}}
4.3 依赖传递的三种方式
接口传递、构造方法传递、setter方法传递。
//第一种方式：接口传递//开关的接口interface IOpenAndClose {public void opoen(ITV tv);//抽象方法，接收接口}interface ITV {//ITV接口public void play();}//实现接口class OpenAndColse implements IOpenAndClose {@Overridepublic void opoen(ITV tv) {tv.play();}}
//方式二：构造方法传递interface IOpenAndClose {public void open();//抽象方法}interface ITV {//ITV接口public void play();}class OpenAndClose implements IOpenAndClose {public ITV tv;//成员public OpenAndClose(ITV tv) {//构造方法this.tv = tv;}@Overridepublic void open() {this.tv.play();}}
//方式三：setter方法传递interface IOpenAndClose {public void open();//抽象方法}interface ITV {//ITV接口public void play();}class OpenAndClose implements IOpenAndClose {private ITV tv;public void setTv(ITV tv) {this.tv = tv;}@Overridepublic void open() {this.tv.play();}}
4.4 注意事项
底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。
继承时要遵循里氏替换原则。
5 里氏替换原则
5.1 什么是里氏替换原则
关于继承性的思考和说明
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。
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。
所以，在编程中，如何正确的使用继承？使用里氏替换原则。
基本介绍
里氏替换原则是由麻省理工学院的一位姓里的女士在1988年提出的。
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都带换成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。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。
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，在适当情况下，可以通过聚合、组合、依赖来解决问题。
5.2 应用实例
一个程序引发的问题和思考。
public class Liskow1 {public static void main(String[] args) {A a = new A();System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));B b = new B();System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));//这里本意是求出11-3System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));}}class A {// 重写了A类的方法，可能是无意识的public int func1(int num1, int num2) {return num1 - num2;}}//增加了一个功能class B extends A {public int func1(int a, int b) {return a + b;}public int func2(int a, int b) {return func1(a, b) + 9;}}
*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。
*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、组合等关系替代。·
public class Liskow {
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是求减法的。
//调用完成的功能就会很明确
System.out.println("11+3=" + b.func1(11, 3));
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));
}
}
class Base {
//把更加基础的方法和成员写到Base类
}
class A extends Base {
// 重写了A类的方法，可能是无意识的
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
class B extends Base {
//如果B需要使用A的方法，使用组合关系
private A a = new A();
public int func1(int a, int b) {
return a + b;
}
public int func2(int a, int b) {
return func1(a, b) + 9;
}
//如果我们仍然想使用A的方法
public int func3(int a, int b) {
return this.a.func1(a, b);
}
}
6 开闭原则
6.1 什么是开闭原则
开闭原则是编程中最基础、最重要的设计原则。
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（对适用方）。用抽象构建框架，用实现扩展细节。
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。
编程中遵循其他原则，以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。
6.2 应用实例
看一段画图代码。
public class Ocp {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
//这是一个用于绘图的类
class GraphicEditor {
//接收Shape时对象，然后根据type，来绘制不同的图形
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("绘制矩形");
}
public void drawCircle(Shape r) {
System.out.println("绘制圆形");
}
}
//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;
}
}
这段代码的优点是比较好理解，简单易操作。
缺点是违反了设计模式的开闭原则，即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。
比如我们这时要新增加一个图形种类：三角形，我们需要修改的地方较多。
改进方案：把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。
public class Ocp {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
//这是一个用于绘图的类
class GraphicEditor {
//接收Shape时对象，然后根据type，来绘制不同的图形
public void drawShape(Shape s) {
s.draw();
}
}
//Shape类，基类
abstract class Shape {
public abstract void draw();//抽象方法
}
class Rectangle extends Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制矩形");
}
}
class Circle extends Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("绘制圆形");
}
}
7 迪米特法则
7.1 什么是迪米特法则
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。
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 public方法，不对外泄露任何信息。
迪米特法则还有个更简单的定义：只与直接的朋友通信。
**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。
7.2 应用实例
编程实现以下功能：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。
public class Demeter {
public static void main(String[] args) {
SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
}
}
//学校总部员工
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;
}
}
//管理学院员工的类
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++) {//增加了10个员工
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id=" + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
}
/**
* 管理学校员工的类
* 分析：SchoolManager类的直接朋友有哪些？
* 直接朋友有“Employee”、“CollegeManager”
* 非直接朋友有“CollegeEmployee”
* 这就违背了迪米特法则
*/
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++) { //增加了5个员工
Employee emp = new Employee();
emp.setId("学校总部员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//完成输出学校总部和学院员工信息的方法
void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
//获取学院员工
//CollegeEmployee是以局部变量的形式出现在SchoolManager类中
//解决方案：将获取学院员工的方法封装到CollegeManager中
List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
System.out.println("------------学院员工------------");
for (CollegeEmployee e : list1) {
System.out.println(e.getId());
}
//获取学校总部员工
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
System.out.println("------------学校总部员工------------");
for (Employee e : list2) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
前面设计的问题在于SchoolManager中，CollegeEmployee类并不是SchoolManager类的直接朋友。
按照迪米特法则，应该避免出现非直接朋友关系的耦合。
对代码按照迪米特法则进行改进如下：
public class Demeter {
public static void main(String[] args) {
SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
}
}
//学校总部员工
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;
}
}
//管理学院员工的类
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++) {//增加了10个员工
CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
emp.setId("学院员工id=" + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//获取学院员工
public void printEmployee() {
List<CollegeEmployee> list1 = this.getAllEmployee();
System.out.println("------------学院员工------------");
for (CollegeEmployee e : list1) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
/**
* 管理学校员工的类
* 分析：SchoolManager类的直接朋友有哪些？
* 直接朋友有“Employee”、“CollegeManager”
* 非直接朋友有“CollegeEmployee”
* 这就违背了迪米特法则
*/
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++) { //增加了5个员工
Employee emp = new Employee();
emp.setId("学校总部员工id= " + i);
list.add(emp);
}
return list;
}
//完成输出学校总部和学院员工信息的方法
void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
//获取学院员工
sub.printEmployee();
//获取学校总部员工
List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
System.out.println("------------学校总部员工------------");
for (Employee e : list2) {
System.out.println(e.getId());
}
}
}
7.3 注意事项
迪米特法则的核心是降低类之间的耦合性。
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。
8 合成复用原则
8.1 什么是合成复用原则
合成复用原则就是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。
设计原则的核心思想
- 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；
- 针对接口编程，而不是针对实现编程；
- 为了交互对象之间的松耦合设计而努力。
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