设计模式七大原则

阅读数: 次 2022-06-23

**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)**

设计模式的目的

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

1) 代码重用性 (即：相同功能的代码，不用多次编写)

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，称为可维护)

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

一、单一职责原则

1.1 基本介绍

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

1.2 单一职责原则注意事项和细节

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

二、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)

2.1 基本介绍

1) 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

2) 先看一张图:

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

2.2 应传统方法的问题和使用接口隔离原则改进

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

三、依赖倒转(倒置)原则

3.1 基本介绍

依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle)是指：

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

3.2 应用实例

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
class Person {
    public void receive(Email email ) {
        System.out.println(email.getInfo());
    }
}

改造：

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
    public void receive(IReceiver receiver ) {
        System.out.println(receiver.getInfo());
    }
}

3.3 依赖关系传递的三种方式和应用案例

1) 接口传递

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() {
        // TODO Auto-generated method stub
        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

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) { //构造器
        this.tv = tv;
    }

    public void open() {
        this.tv.play();
    }
}

3) setter方式传递

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();
    }
}

3.4 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

四、里氏替换原则

4.1 OO中的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，如何正确的使用继承? => 里氏替换原则

4.2 基本介绍

1) 里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)在1988年，由麻省理工学院的以为姓里的女士提出的。

2) 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。

3) 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 4) 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。

4.3 一个程序引出的问题和思考

该看个程序, 思考下问题和解决思路

class A {
    public int func1(int num1, int num2) {
        return num1 - num2;
    }
}

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;
    }
}
public static void main(String[] args) {
    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));//发生了错误
}

4.4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.

public class Liskov {
    public static void main(String[] args) {
        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();
        //因为B类不再继承A类，因此调用者，不会再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);
    }
}

五、开闭原则

5.1 基本介绍

1) 开闭原则（Open Closed Principle）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(对提供方)，对修改关闭(对使用方)。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。

5.2 看下面一段代码

看一个画图形的功能。类图设计，如下:

public class Ocp {
    public static void main(String[] args) {
        //使用看看存在的问题
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
        graphicEditor.drawShape(new Triangle());
    }
}

//这是一个用于绘图的类 [使用方]
class GraphicEditor {
    //接收Shape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);
        else if (s.m_type == 3)//新增的
            drawTriangle(s);
    }

    //绘制矩形
    public void drawRectangle(Shape r) {
        System.out.println(" 绘制矩形 ");
    }

    //绘制圆形
    public void drawCircle(Shape r) {
        System.out.println(" 绘制圆形 ");
    }

    //绘制三角形  新增的
    public void drawTriangle(Shape r) {
        System.out.println(" 绘制三角形 ");
    }
}

//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;
    }
}

//新增画三角形
class Triangle extends Shape {
    Triangle() {
        super.m_type = 3;
    }
}

5.3 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候，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三角形，我们需要做如下修改，修改的地方较多

4) 代码演示

5.4 方式1的改进的思路分析

思路：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

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
    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 ");
    }
}

六、迪米特法则(最少知道原则)

6.1 基本介绍

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(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

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。

6.2 应用实例

//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、CollegeManager
//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<>();

        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();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
        //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());
        }
    }
}

6.3 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

//客户端
public class Demeter1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("~~~使用迪米特法则的改进~~~");
        //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<>();
        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();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

//学校管理类
class SchoolManager {
    //返回学校总部的员工
    public List<Employee> getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<>();

        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. 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());
        }
    }
}

6.4 迪米特法则注意事项和细节

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

七、合成复用原则

7.1 基本介绍

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