软件设计模式概述
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1、软件设计模式的产生背景
“设计模式”这个术语最初并不是出现在软件设计中，而是被用于建筑领域的设计中。
1977 年，美国著名建筑大师、加利福尼亚大学伯克利分校环境结构中心主任克里斯托夫·亚历山大（Christopher Alexander）在他的著作《建筑模式语言：城镇、建筑、构造（A Pattern Language: Towns Building Construction）中描述了一些常见的建筑设计问题，并提出了253种关于对城镇、邻里、住宅、花园和房间等进行设计的基本模式。
1979 年他的另一部经典著作《建筑的永恒之道》（The Timeless Way of Building）进一步强化了设计模式的思想，为后来的建筑设计指明了方向。
1987 年，肯特·贝克（Kent Beck）和沃德·坎宁安（Ward Cunningham）首先将克里斯托夫·亚历山大的模式思想应用在 Smalltalk 中的图形用户接口的生成中，但没有引起软件界的关注。
直到 1990 年，软件工程界才开始研讨设计模式的话题，后来召开了多次关于设计模式的研讨会。
1995 年，艾瑞克·伽马（ErichGamma）、理査德·海尔姆（Richard Helm）、拉尔夫·约翰森（Ralph Johnson）、约翰·威利斯迪斯（John Vlissides）等 4 位作者合作出版了《设计模式：可复用面向对象软件的基础》（Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software）一书，在本教程中收录了 23 个设计模式，这是设计模式领域里程碑的事件，导致了软件设计模式的突破。这 4 位作者在软件开发领域里也以他们的“四人组”（Gang of Four，GoF）匿名著称。
直到今天，狭义的设计模式还是本教程中所介绍的 23 种经典设计模式。
2、软件设计模式的概念和意义
软件设计模式（Software Design Pattern），又称设计模式，是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。它描述了在软件设计过程中的一些不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案。也就是说，它是解决特定问题的一系列套路，是前辈们的代码设计经验的总结，具有一定的普遍性，可以反复使用。其目的是为了提高代码的可重用性、代码的可读性和代码的可靠性。
设计模式的本质是面向对象设计原则的实际运用，是对类的封装性、继承性和多态性以及类的关联关系和组合关系的充分理解。
正确使用设计模式具有以下优点：
- 可以提高程序员的思维能力、编程能力和设计能力。
- 使程序设计更加标准化、代码编制更加工程化，使软件开发效率大大提高，从而缩短软件的开发周期。
- 使设计的代码可重用性高、可读性强、可靠性高、灵活性好、可维护性强。
当然，软件设计模式只是一个引导。在具体的软件幵发中，必须根据设计的应用系统的特点和要求来恰当选择。对于简单的程序开发，苛能写一个简单的算法要比引入某种设计模式更加容易。但对大项目的开发或者框架设计，用设计模式来组织代码显然更好。
3、软件设计模式的基本要素
软件设计模式使人们可以更加简单方便地复用成功的设计和体系结构，它通常包含以下几个基本要素：模式名称、别名、动机、问题、解决方案、效果、结构、模式角色、合作关系、实现方法、适用性、已知应用、例程、模式扩展和相关模式等，其中最关键的元素包括以下 4 个主要部分。
（1）模式名称
每一个模式都有自己的名字，通常用一两个词来描述，可以根据模式的问题、特点、解决方案、功能和效果来命名。模式名称（PatternName）有助于我们理解和记忆该模式，也方便我们来讨论自己的设计。
（2）问题
问题（Problem）描述了该模式的应用环境，即何时使用该模式。它解释了设计问题和问题存在的前因后果，以及必须满足的一系列先决条件。
（3）解决方案
模式问题的解决方案（Solution）包括设计的组成成分、它们之间的相互关系及各自的职责和协作方式。因为模式就像一个模板，可应用于多种不同场合，所以解决方案并不描述一个特定而具体的设计或实现，而是提供设计问题的抽象描述和怎样用一个具有一般意义的元素组合（类或对象的 组合）来解决这个问题。
（4）效果
描述了模式的应用效果以及使用该模式应该权衡的问题，即模式的优缺点。主要是对时间和空间的衡量，以及该模式对系统的灵活性、扩充性、可移植性的影响，也考虑其实现问题。显式地列出这些效果（Consequence）对理解和评价这些模式有很大的帮助。
4、软件设计模式的分类
根据设计模式的参考书 Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）中所提到的，总共有 23 种设计模式。这些模式可以分为三大类：创建型模式（Creational Patterns）、结构型模式（Structural Patterns）、行为型模式（Behavioral Patterns）。当然，这里还会讨论另一类设计模式：J2EE 设计模式。
4.1、创建型模式（Creational Patterns）
这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。
创建型模式的主要关注点是“怎样创建对象？”，它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。这样可以降低系统的耦合度，使用者不需要关注对象的创建细节，对象的创建由相关的工厂来完成。就像我们去商场购买商品时，不需要知道商品是怎么生产出来一样，因为它们由专门的厂商生产。
- 工厂模式（Factory Pattern）
- 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
- 单例模式（Singleton Pattern）
- 建造者模式（Builder Pattern）
- 原型模式（Prototype Pattern）
4.2、结构型模式（Structural Patterns）
这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。
结构型模式描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构。它分为类结构型模式和对象结构型模式，前者采用继承机制来组织接口和类，后者釆用组合或聚合来组合对象。
由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象结构型模式比类结构型模式具有更大的灵活性。
- 适配器模式（Adapter Pattern）
- 桥接模式（Bridge Pattern）
- 过滤器模式（Filter、Criteria Pattern）
- 组合模式（Composite Pattern）
- 装饰器模式（Decorator Pattern）
- 外观模式（Facade Pattern）
- 享元模式（Flyweight Pattern）
- 代理模式（Proxy Pattern）
4.3、行为型模式（Behavioral Patterns）
这些设计模式特别关注对象之间的通信。
行为型模式用于描述程序在运行时复杂的流程控制，即描述多个类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象都无法单独完成的任务，它涉及算法与对象间职责的分配。
行为型模式分为类行为模式和对象行为模式，前者采用继承机制来在类间分派行为，后者采用组合或聚合在对象间分配行为。由于组合关系或聚合关系比继承关系耦合度低，满足“合成复用原则”，所以对象行为模式比类行为模式具有更大的灵活性。
- 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）
- 命令模式（Command Pattern）
- 解释器模式（Interpreter Pattern）
- 迭代器模式（Iterator Pattern）
- 中介者模式（Mediator Pattern）
- 备忘录模式（Memento Pattern）
- 观察者模式（Observer Pattern）
- 状态模式（State Pattern）
- 空对象模式（Null Object Pattern）
- 策略模式（Strategy Pattern）
- 模板模式（Template Pattern）
- 访问者模式（Visitor Pattern）
4.4、J2EE 设计模式
这些设计模式特别关注表示层。这些模式是由 Sun Java Center 鉴定的。
- MVC 模式（MVC Pattern）
- 业务代表模式（Business Delegate Pattern）
- 组合实体模式（Composite Entity Pattern）
- 数据访问对象模式（Data Access Object Pattern）
- 前端控制器模式（Front Controller Pattern）
- 拦截过滤器模式（Intercepting Filter Pattern）
- 服务定位器模式（Service Locator Pattern）
- 传输对象模式（Transfer Object Pattern）
4.5、设计模式关系图
5、软件设计模式的七大原则
参考链接：UML中的类图及类图之间的关系。
5.1、开闭原则（Open Close Principle）
开闭原则的意思是：对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，需要使用接口和抽象类。
简单来说，开闭原则的含义是：当应用的需求改变时，在不修改软件实体的源代码或者二进制代码的前提下，可以扩展模块的功能，使其满足新的需求。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1322.html。
5.2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）
里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。
里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。LSP 是继承复用的基石，只有当派生类可以替换掉基类，且软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对开闭原则的补充。
实现开闭原则的关键步骤就是抽象化，而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1324.html。
5.3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
依赖倒置原则是实现开闭原则的重要途径之一，它降低了客户与实现模块之间的耦合。具体内容：针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。
由于在软件设计中，细节具有多变性，而抽象层则相对稳定，因此以抽象为基础搭建起来的架构要比以细节为基础搭建起来的架构要稳定得多。这里的抽象指的是接口或者抽象类，而细节是指具体的实现类。
使用接口或者抽象类的目的是制定好规范和契约，而不去涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给它们的实现类去完成。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1326.html。
5.4、单一职责原则（Single Responsibility Principle）
这里的职责是指类变化的原因，单一职责原则规定一个类应该有且仅有一个引起它变化的原因，否则类应该被拆分。
该原则提出对象不应该承担太多职责，如果一个对象承担了太多的职责，至少存在以下两个缺点：
（1）一个职责的变化可能会削弱或者抑制这个类实现其他职责的能力；
（2）当客户端需要该对象的某一个职责时，不得不将其他不需要的职责全都包含进来，从而造成冗余代码或代码的浪费。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1327.html。
5.5、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）
这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。它还有另外一个意思是：降低类之间的耦合度。由此可见，其实设计模式就是从大型软件架构出发、便于升级和维护的软件设计思想，它强调降低依赖，降低耦合。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1330.html。
5.6、迪米特法则，又称最少知道原则（Demeter Principle）
最少知道原则是指：一个实体应当尽量少地与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。
迪米特法则的定义是：只与你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话。其含义是：如果两个软件实体无须直接通信，那么就不应当发生直接的相互调用，可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。
迪米特法则中的“朋友”是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1331.html。
5.7、合成复用原则（Composite Reuse Principle）
合成复用原则，又叫组合/聚合复用原则（Composition/Aggregate Reuse Principle，CARP）。它要求在软件复用时，要尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现，其次才考虑使用继承关系来实现。
如果要使用继承关系，则必须严格遵循里氏替换原则。合成复用原则同里氏替换原则相辅相成的，两者都是开闭原则的具体实现规范。
具体作用及实现方法参考：http://c.biancheng.net/view/1333.html。