设计模式的原则和分类

设计模式七大原则

知名软件大师 Robert C.Martin 认为一个可维护性 (Maintainability) 较低的软件设计，通常由于如下 4 个原因造成：

过于僵硬(Rigidity)

过于脆弱(Fragility)

复用率低(Immobility)

黏度过高(Viscosity)

软件工程和建模大师 Peter Coad 认为，一个好的系统设计应该具备如下三个性质：

可扩展性(Extensibility)

灵活性(Flexibility)

可插入性(Pluggability)

软件的复用(Reuse)或重用拥有众多优点，如可以提高软件的开发效率，提高软件质量，节约开发成本，恰当的复用还可以改善系统的可维护性。

面向对象设计复用的目标在于实现支持可维护性的复用。

在面向对象的设计里面，可维护性复用都是以面向对象设计原则为基础的，这些设计原则首先都是复用的原则，遵循这些设计原则可以有效地提高系统的复用性，同时提高系统的可维护性。

面向对象设计原则和设计模式也是对系统进行合理重构的指南针，重构(Refactoring)是在不改变软件现有功能的基础上，通过调整程序代码改善软件的质量、性能，使其程序的设计模式和架构更趋合理，提高软件的扩展性和维护性。

常用的面向对象设计原则包括7个，这些原则并不是孤立存在的，它们相互依赖，相互补充。

设计原则名称	设计原则简介	重要性
单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP)	类的职责要单一，不能将太多的职责放在一个类中	★★★★☆
开闭原则(Open-Closed Principle, OCP)	软件实体对扩展是开放的，但对修改是关闭的，即在不修改一个软件实体的基础上去扩展其功能	★★★★★
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle, LSP)	在软件系统中，一个可以接受基类对象的地方必然可以接受一个子类对象	★★★★☆
依赖倒转原则(Dependency Inversion Principle, DIP)	要针对抽象层编程，而不要针对具体类编程	★★★★★
接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP)	使用多个专门的接口来取代一个统一的接口	★★☆☆☆
合成复用原则(Composite Reuse Principle, CRP)	在系统中应该尽量多使用组合和聚合关联关系，尽量少使用甚至不使用继承关系	★★★★☆
迪米特法则(Law of Demeter, LoD)	一个软件实体对其他实体的引用越少越好，或者说如果两个类不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用，而是通过引入一个第三者发生间接交互	★★★☆☆

单一职责原则

最简单的设计原则，用于控制类的粒度大小。

定义：一个对象应该只包含单一的职责，并且该职责被完整地封装在一个类中。

分析：一个类（或者大到模块，小到方法）承担的职责越多，它被复用的可能性越小，而且如果一个类承担的职责过多，就相当于将这些职责耦合在一起，当其中一个职责变化时，可能会影响其他职责的运作。

类的职责主要包括两个方面：数据职责和行为职责，数据职责通过其属性来体现，而行为职责通过其方法来体现。

单一职责原则是实现高内聚、低耦合的指导方针，在很多代码重构手法中都能找到它的存在，它是最简单但又最难运用的原则，需要设计人员发现类的不同职责并将其分离，而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关重构经验。

实例：某基于 Java 的 C/S 系统的“登录功能”通过如下登录类(Login)实现:

使用单一职责原则对其进行重构：

开闭原则

定义：一个软件实体应当对扩展开放，对修改关闭。也就是说在设计一个模块的时候，应当使这个模块可以在不被修改的前提下被扩展，即实现在不修改源代码的情况下改变这个模块的行为。

分析：抽象化是开闭原则的关键。

开闭原则还可以通过一个更加具体的“对可变性封装原则”来描述，对可变性封装原则(EVP)要求找到系统的可变因素并将其封装起来。

实例：某图形界面系统提供了各种不同形状的按钮，客户端代码可针对这些按钮进行编程，用户可能会改变需求要求使用不同的按钮，原始设计方案：

对该系统进行重构，使之满足开闭原则的要求:

里氏代换原则

定义：所有引用基类（父类）的地方必须能透明地使用其子类的对象。

分析：里氏代换原则可以通俗表述为：在软件中如果能够使用基类对象，那么一定能够使用其子类对象。把基类都替换成它的子类，程序将不会产生任何错误和异常，反过来则不成立，如果一个软件实体使用的是一个子类的话，那么它不一定能够使用基类。

里氏代换原则是实现开闭原则的重要方式之一，由于使用基类对象的地方都可以使用子类对象，因此在程序中尽量使用基类类型来对对象进行定义，而在运行时再确定其子类类型，用子类对象来替换父类对象。

使用里氏代换原则需要注意：

1. 子类的多有方法必须在父类中声明，或者子类必须实现父类中声名的所有方法。

2. 尽量把父类设计成抽象类或接口，让子类继承父类或实现父接口。增加一个新功能时，通过增加一个新的子类来实现。

3. Java语言编译时会检查一个程序是否符合里氏代换原则，但只是一个语法意义上的检查，有局限性。

实例：如果需要更换一个加密算法类或者增加并使用一个新的加密算法类，如将 CipherA 改为 CipherB，则需要修改客户类 Client 和数据操作类 DataOperator 的源代码，违背了开闭原则：

使用里氏代换原则对其进行重构，使得系统可以灵活扩展，符合开闭原则：

依赖倒转原则

定义：高层模块不应该依赖低层模块，它们都应该依赖抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

分析：简单来说，依赖倒转原则就是指：代码要依赖于抽象的类，而不要依赖于具体的类；要针对接口或抽象类编程，而不是针对具体类编程。

实现开闭原则的关键是抽象化，并且从抽象化导出具体化实现，如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话，那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要手段。

类之间的耦合

• 零耦合关系

• 具体耦合关系

• 抽象耦合关系

依赖倒转原则要求客户端依赖于抽象耦合，以抽象方式耦合是依赖倒转原则的关键。里氏代换原则是依赖倒转原则的基础。

依赖注入

就是将一个类的对象传入另一个类，注入时应该尽量注入父类对象，而在程序运行时再通过子类对象来覆盖父类对象。

• 构造注入(Constructor Injection)：通过构造函数注入实例变量。

• 设值注入(Setter Injection)：通过Setter方法注入实例变量。

• 接口注入(Interface Injection)：通过接口方法注入实例变量。

实例：某系统提供一个数据转换模块，可以将来自不同数据源的数据转换成多种格式，如可以转换来自数据库的数据(DatabaseSource)、也可以转换来自文本文件的数据(TextSource)，转换后的格式可以是 XML 文件(XMLTransformer)、也可以是 XLS 文件(XLSTransformer)等。由于需求的变化，该系统可能需要增加新的数据源或者新的文件格式，每增加一个新的类型的数据源或者新的类型的文件格式，客户类 MainClass 都需要修改源代码，以便使用新的类，但违背了开闭原则：

使用依赖倒转原则对其进行重构：

依赖倒转原则必须以里氏代换原则为基础。

接口隔离原则

定义：客户端不应该依赖那些它不需要的接口。一旦一个接口太大，则需要将它分割成一些更细小的接口，使用该接口的客户端仅需知道与之相关的方法即可。

分析：接口隔离原则是指使用多个专门的接口，而不使用单一的总接口。每一个接口应该承担一种相对独立的角色，不多不少，不干不该干的事，该干的事都要干。

1. 一个接口就只代表一个角色，每个角色都有它特定的一个接口，此时这个原则可以叫做“角色隔离原则”。

2. 接口仅仅提供客户端需要的行为，即所需的方法，客户端不需要的行为则隐藏起来，应当为客户端提供尽可能小的单独的接口，而不要提供大的总接口。

使用接口隔离原则拆分接口时，首先必须满足单一职责原则，将一组相关的操作定义在一个接口中，且在满足高内聚的前提下，接口中的方法越少越好。

可以在进行系统设计时采用定制服务的方式，即为不同的客户端提供宽窄不同的接口，只提供用户需要的行为，而隐藏用户不需要的行为。

实例：下图展示了一个拥有多个客户类的系统，在系统中定义了一个巨大的接口（胖接口）AbstractService来服务所有的客户类：

使用接口隔离原则对其进行重构:

合成复用原则

定义：又称为组合/聚合复用原则，尽量使用对象组合，而不是继承来达到复用的目的。

分析：合成复用原则就是指在一个新的对象里通过关联关系（包括组合关系和聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用其已有功能的目的。简言之：要尽量使用组合/聚合关系，少用继承。

在面向对象设计中，可以通过两种基本方法在不同的环境中复用已有的设计和实现，即通过组合/聚合关系或通过继承。

1. 继承复用：实现简单，易于扩展。破坏系统的封装性；从基类继承而来的实现是静态的，不可能在运行时发生改变，没有足够的灵活性；只能在有限的环境中使用。(“白箱”复用)

2. 组合/聚合复用：耦合度相对较低，选择性地调用成员对象的操作；可以在运行时动态进行。(“黑箱”复用)

组合/聚合可以使系统更加灵活，类与类之间的耦合度降低，一个类的变化对其他类造成的影响相对较少，因此一般首选使用组合/聚合来实现复用；其次才考虑继承，在使用继承时，需要严格遵循里氏代换原则，有效使用继承会有助于对问题的理解，降低复杂度，而滥用继承反而会增加系统构建和维护的难度以及系统的复杂度，因此需要慎重使用继承复用。

实例：某教学管理系统部分数据库访问类设计如图所示,如果需要更换数据库连接方式，如原来采用 JDBC 连接数据库，现在采用数据库连接池连接，则需要修改 DBUtil 类源代码。如果 StudentDAO 采用 JDBC 连接，但是 TeacherDAO 采用连接池连接，则需要增加一个新的 DBUtil 类，并修改 StudentDAO 或 TeacherDAO 的源代码，使之继承新的数据库连接类，这将违背开闭原则，系统扩展性较差：

使用合成复用原则对其进行重构：

用户无需修改任何代码，只需修改配置文件即可完成新的数据库连接方式的使用。

迪米特法则

定义：又称为最少知识原则。

1. 不要和“陌生人”说话。
2. 只与你的直接朋友通信。
3. 每一个软件单位对其他的单位都只有最少的知识，而且局限于那些与本单位密切相关的软件单位。

分析：简单地说，迪米特法则就是指一个软件实体应当尽可能少的与其他实体发生相互作用。这样，当一个模块修改时，就会尽量少的影响其他的模块，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，它要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。

在迪米特法则中，对于一个对象，其朋友包括以下几类：

1. 当前对象本身(this)；
2. 以参数形式传入到当前对象方法中的对象；
3. 当前对象的成员对象；
4. 如果当前对象的成员对象是一个集合，那么集合中的元素也都是朋友；
5. 当前对象所创建的对象。
6. 任何一个对象，如果满足上面的条件之一，就是当前对象的“朋友”，否则就是“陌生人”。

迪米特法则可分为狭义法则和广义法则。在狭义的迪米特法则中，如果两个类之间不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用，如果其中的一个类需要调用另一个类的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。

ObjectA 只能调用 ObjectB 中的方法，而不允许调用 ObjectC 中的方法，他们之间不存在直接引用关系。迪米特法则不允许出现 a.method1().method2() 或 a.b.method 这样的调用方式。只能够出现一个 .。

狭义的迪米特法则：可以降低类之间的耦合，但是会在系统中增加大量的小方法并散落在系统的各个角落，它可以使一个系统的局部设计简化，因为每一个局部都不会和远距离的对象有直接的关联，但是也会造成系统的不同模块之间的通信效率降低，使得系统的不同模块之间不容易协调。

广义的迪米特法则：指对对象之间的信息流量、流向以及信息的影响的控制，主要是对信息隐藏的控制。信息的隐藏可以使各个子系统之间脱耦，从而允许它们独立地被开发、优化、使用和修改，同时可以促进软件的复用，由于每一个模块都不依赖于其他模块而存在，因此每一个模块都可以独立地在其他的地方使用。一个系统的规模越大，信息的隐藏就越重要，而信息隐藏的重要性也就越明显。

用途：在于控制信息的过载。

1. 在类的划分上，应当尽量创建松耦合的类，类之间的耦合度越低，就越有利于复用，一个处在松耦合中的类一旦被修改，不会对关联的类造成太大波及；
2. 在类的结构设计上，每一个类都应当尽量降低其成员变量和成员函数的访问权限；
3. 在类的设计上，只要有可能，一个类型应当设计成不变类；
4. 在对其他类的引用上，一个对象对其他对象的引用应当降到最低；

实例：某系统界面类(如 Form1、Form2 等类)与数据访问类(如 DAO1、DAO2 等类)之间的调用关系较为复杂，如图所示：

重构之后的类图：

设计模式三大分类

根据其目的（模式是用来做什么的）可分为创建型(Creational)，结构型(Structural)和行为型(Behavioral)三种：

1. 创建型模式主要用于创建对象。
2. 结构型模式主要用于处理类或对象的组合。
3. 行为型模式主要用于描述对类或对象怎样交互和怎样分配职责。

根据范围（模式主要是用于处理类之间关系还是处理对象之间的关系）可分为类模式和对象模式两种：

1. 类模式处理类和子类之间的关系，这些关系通过继承建立，在编译时刻就被确定下来，是属于静态的。
2. 对象模式处理对象间的关系，这些关系在运行时刻变化，更具动态性。

创建型模式

创建型模式(Creational Pattern)对类的实例化过程进行了抽象，能够将软件模块中对象的创建和对象的使用分离。为了使软件的结构更加清晰，外界对于这些对象只需要知道它们共同的接口，而不清楚其具体的实现细节，使整个系统的设计更加符合单一职责原则。创建型模式在创建什么(What)，由谁创建(Who)，何时创建(When)等方面都为软件设计者提供了尽可能大的灵活性。创建型模式隐藏了类的实例的创建细节，通过隐藏对象如何被创建和组合在一起达到使整个系统独立的目的。

创建型模式包括：

1. 抽象工厂模式(Abstract Factory)
2. 建造者模式(Builder)
3. 工厂方法模式(Factory Method)
4. 原型模式(Prototype)
5. 单例模式(Singleton)

结构型模式

结构型模式(Structural Pattern)描述如何将类或者对象结合在一起形成更大的结构，就像搭积木，可以通过简单积木的组合形成复杂的、功能更为强大的结构。

结构型模式可以分为类结构型模式和对象结构型模式：

• 类结构型模式关心类的组合，由多个类可以组合成一个更大的系统，在类结构型模式中一般只存在继承关系和实现关系。

• 对象结构型模式关心类与对象的组合，通过关联关系使得在一个类中定义另一个类的实例对象，然后通过该对象调用其方法。根据“合成复用原则”，在系统中尽量使用关联关系来替代继承关系，因此大部分结构型模式都是对象结构型模式。

结构型模式包括：

1. 适配器模式(Adapter)
2. 桥接模式(Bridge)
3. 组合模式(Composite)
4. 装饰模式(Decorator)
5. 外观模式(Facade)
6. 享元模式(Flyweight)
7. 代理模式(Proxy)

行为型模式

行为型模式(Behavioral Pattern)是对在不同的对象之间划分责任和算法的抽象化。行为型模式不仅仅关注类和对象的结构，而且重点关注它们之间的相互作用。通过行为型模式，可以更加清晰地划分类与对象的职责，并研究系统在运行时实例对象之间的交互。在系统运行时，对象并不是孤立的，它们可以通过相互通信与协作完成某些复杂功能，一个对象在运行时也将影响到其他对象的运行。

行为型模式分为类行为型模式和对象行为型模式两种：

• 类行为型模式：类的行为型模式使用继承关系在几个类之间分配行为，类行为型模式主要通过多态等方式来分配父类与子类的职责。

• 对象行为型模式：对象的行为型模式则使用对象的聚合关联关系来分配行为，对象行为型模式主要是通过对象关联等方式来分配两个或多个类的职责。根据“合成复用原则”，系统中要尽量使用关联关系来取代继承关系，因此大部分行为型设计模式都属于对象行为型设计模式。

行为型模式包括：

1. 职责链模式(Chain of Responsibility)
2. 命令模式(Command)
3. 解释器模式(Interpreter)
4. 迭代器模式(Iterator)
5. 中介者模式(Mediator)
6. 备忘录模式(Memento)
7. 观察者模式(Observer)
8. 状态模式(State)
9. 策略模式(Strategy)
10. 模板方法模式(Template Method)
11. 访问者模式(Visitor)