Java设计模式概述

设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理地运用设计模式可以完美地解决很多问题，每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应，每种模式都描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是设计模式能被广泛应用的原因。

设计模式源于GOF

在1994 年，由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 四人合著出版了一本名为 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）的书，该书首次提到了软件开发中设计模式的概念。四位作者合称 GOF（全拼 Gang of Four）。他们所提出的设计模式主要是基于以下的面向对象设计原则。

对接口编程而不是对实现编程。
优先使用对象组合而不是继承。

设计模式的使用

设计模式在软件开发中的两个主要用途。
1、开发人员的共同平台
设计模式提供了一个标准的术语系统，且具体到特定的情景。例如，单例设计模式意味着使用单个对象，这样所有熟悉单例设计模式的开发人员都能使用单个对象，并且可以通过这种方式告诉对方，程序使用的是单例模式。

2、最佳的实践
设计模式已经经历了很长一段时间的发展，它们提供了软件开发过程中面临的一般问题的最佳解决方案。学习这些模式有助于经验不足的开发人员通过一种简单快捷的方式来学习软件设计。

设计模式的类型

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）。

模式&描述	包括
创建型模式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。	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）
结构型模式这些模式关注对象之间的组合和关系，旨在解决如何构建灵活且可复用的类和对象结构。	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）
行为型模式这些模式关注对象之间的通信和交互，旨在解决对象之间的责任分配和算法的封装。	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）
J2EE 模式这些设计模式特别关注表示层	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）

下面用一个图片来整体描述一下设计模式之间的关系：

设计模式的优点

提供了一种共享的设计词汇和概念，使开发人员能够更好地沟通和理解彼此的设计意图。
提供了经过验证的解决方案，可以提高软件的可维护性、可复用性和灵活性。
促进了代码的重用，避免了重复的设计和实现。
通过遵循设计模式，可以减少系统中的错误和问题，提高代码质量。

设计模式的七大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）
这个原则是一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放，对修改关闭。开放-封闭原则的意思就是说，你设计的时候，时刻要考虑，尽量让这个类是足够好，写好了就不要去修改了，如果新需求来，我们增加一些类就完事了，原来的代码能不动则不动。
这个原则有两个特性，一个是说“对于扩展是开放的”，另一个是说“对于更改是封闭的”。面对需求，对程序的改动是通过增加新代码进行的，而不是更改现有的代码。这就是“开放-封闭原则”的精神所在。比如，刚开始需求只是写加法程序，很快在client类中完成后，此时变化没有发生，需求让再添加一个减法功能，此时会发现增加功能需要修改原来这个类，这就违背了开放-封闭原则，于是你就应该考虑重构程序，增加一个抽象的运算类，通过一些面向对象的手段，如继承、动态等来隔离具体加法、减法与client耦合，需求依然可以满足，还能应对变化。此时需求要添加乘除法功能，就不需要再去更改client及加减法类，而是增加乘法和除法子类即可。
绝对的修改关闭是不可能的，无论模块是多么的‘封闭‘，都会存在一些无法对之封闭的变化，既然不可能完全封闭，设计人员必须对于他设计的模块应该对哪种变化封闭做出选择。他必须先猜测出最有可能发生的变化种类，然后构造抽象来隔离那些变化。在我们最初编写代码时，假设变化不会发生，当变化发生时，我们就创建抽象来隔离以后发生同类的变化。我们希望的是在开发工作展开不久就知道可能发生的变化，查明可能发生的变化所等待的时候越长，要创建正确的抽象就越困难。
开放-封闭原则是面向对象设计的核心所在，遵循这个原则可以带来面向对象技术所声称的巨大好处，也就是可维护、可扩展、可复用、灵活性好。开发人员应该仅对程序中呈现出现频繁变化的那些部分做出抽象，然而对于应用程序中的每个部分都刻意地进行抽象同样不是一个好主意，拒绝不成熟的抽象和抽象本身一样重要。开放-封闭原则，可以保证以前代码的正确性，因为没有修改以前代码，所以可以保证开发人员专注于将设计放在新扩展的代码上。

2、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
  这个原则是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。即针对接口编程，不要针对实现编程。
     依赖倒转其实就是谁也不要依靠谁，除了约定的接口，大家都可以灵活自如。依赖倒转可以说是面向对象设计的标志，用哪种语言来编写程序不重要，如果编写时考虑的都是如何针对抽象编程而不是针对细节编程，即程序中所有的依赖关系都是终止于抽象类或者接口，那就是面向对象的设计，反之那就是过程化的设计了。如果设计的各个部件或类相互依赖，这样就是耦合度高，难以维护和扩展，这也就体现不出面向对象的好处了。
      依赖倒转原则，好比一个团队，有需求组，开发组，测试组，开发组和测试组都是面对同样的需求后，做自己相应的工作，而不应该是测试组按照开发组理解的需求去做测试用例，也就是说开发组和测试组都是直接面向需求组工作，大家的目的是一样的，保证产品按时上线，需求是不依赖于开发和测试的。
依赖倒置原则基于这样一个事实：相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定得多。以抽象为基础搭建起来的架构比以细节为基础搭建起来的架构要稳定得多。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他们的实现类去完成。依赖倒置原则的中心思想是面向接口编程，传递依赖关系有三种方式，以上的说的是是接口传递，另外还有两种传递方式：构造方法传递和setter方法传递，相信用过Spring框架的，对依赖的传递方式一定不会陌生。
在实际编程中，我们一般需要做到如下3点：

低层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有
变量的声明类型尽量是抽象类或接口
使用继承时遵循里氏替换原则。

总之，依赖倒置原则就是要我们面向接口编程，理解了面向接口编程，也就理解了依赖倒置。

3、单一职责原则

这个原则是不要存在多于一个导致类变更的原因。通俗地说，即一个类只负责一项职责，应该仅有一个引起它变化的原因。
说到单一职责原则，很多人都会不屑一顾，因为它太简单了。稍有经验的程序员即使从来没有读过设计模式、从来没有听说过单一职责原则，在设计软件时也会自觉的遵守这一重要原则，因为这是常识。在软件编程中，谁也不希望因为修改了一个功能导致其他的功能发生故障。而避免出现这一问题的方法便是遵循单一职责原则。虽然单一职责原则如此简单，并且被认为是常识，但是即便是经验丰富的程序员写出的程序，也会有违背这一原则的代码存在。为什么会出现这种现象呢？因为有职责扩散。所谓职责扩散，就是因为某种原因，职责P被分化为粒度更细的职责P1和P2。
遵循单一职责原的优点有:

可以降低类的复杂度，一个类只负责一项职责，其逻辑肯定要比负责多项职责简单的多
提高类的可读性，提高系统的可维护性
变更引起的风险降低，变更是必然的，如果单一职责原则遵守得好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响

需要说明的一点是单一职责原则不只是面向对象编程思想所特有的，只要是模块化的程序设计，都需要遵循这一重要原则

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

这个原则的意思是建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接口，接口中的方法尽量少。也就是说，我们要为各个类建立专用的接口，而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。在程序设计中，依赖几个专用的接口要比依赖一个综合的接口更灵活。接口是设计时，对外部设定的“契约”，通过分散定义多个接口，可以预防外来变更的扩散，提高系统的灵活性和可维护性。
说到这里，很多人会觉得接口隔离原则跟单一职责原则很相似，其实不然。其一，单一职责原则注重的是职责；而接口隔离原则注重对接口依赖的隔离。其二，单一职责原则主要是约束类，其次才是接口和方法，它针对的是程序中的实现和细节；而接口隔离原则主要约束接口接口，主要针对抽象，针对程序整体框架的构建。
采用接口隔离原则对接口进行约束时，要注意以下几点:

接口尽量小，但是要有限度。对接口进行细化可以提高程序设计灵活性是不争的事实，但是如果过小，则会造成接口数量过多，使设计复杂化。所以一定要适度
依赖接口的类定制服务，只暴露给调用的类它需要的方法，它不需要的方法则隐藏起来。只有专注地为一个模块提供定制服务，才能建立最小的依赖关系
提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情

运用接口隔离原则，一定要适度，接口设计得过大或过小都不好。设计接口的时候，只有多花些时间去思考和筹划，才能准确地实践这一原则

5、迪米特法则，又称最少知道原则（Demeter Principle）
迪米特法则其根本思想，是强调了类之间的松耦合，类之间的耦合越弱,越有利于复用，一个处在弱耦合的类被修改，不会对有关系的类造成影响，也就是说，信息的隐藏促进了软件的复用。自从我们接触编程开始，就知道了软件编程的总的原则：低耦合，高内聚。无论是面向过程编程还是面向对象编程，只有使各个模块之间的耦合尽量的低，才能提高代码的复用率。
低耦合的优点不言而喻，但是怎么样编程才能做到低耦合呢？那正是迪米特法则要去完成的。迪米特法则又叫最少知道原则，最早是在1987年由美国Northeastern University的Ian Holland提出。通俗地来讲，就是一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说，对于被依赖的类来说，无论逻辑多么复杂，都尽量地的将逻辑封装在类的内部，对外除了提供的public方法，不对外泄漏任何信息。
迪米特法则还有一个更简单的定义：只与直接的朋友通信。首先来解释一下什么是直接的朋友：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则不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要作为局部变量的形式出现在类的内部。
一句话总结就是：一个对象应该对其他对象保持最少的了解

6、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

       这个原则的意思有两个，定义1：如果对每一个类型为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。定义2：子类型必须能够替换掉它们的父类型。
      描述：一个软件实体如果使用的是一个父类的话，那么一定适用于其子类，而且它察觉不出父类对象和子类对象的区别，也就是说，在软件里面，把父类都替换成它的子类，程序的行为没有变化。例子：在生物学分类上，企鹅是一种鸟，但在编程世界里，企鹅却不能继承鸟。在面向对象设计时，子类拥有父类所有非private的行为和属性，鸟会飞，但企鹅不会飞，所以企鹅不能继承鸟类。
    只有当子类可以替换掉父类，软件单位的功能不受影响时，父类才能真正被复用，而子类也能够在父类的基础上增加新的行为，正是有里氏代换原则，使得继承复用成为了可能。正是由于子类型的可替换性才使得使用父类类型的模块在无需修改的情况下就可以扩展，不然还谈什么扩展开放，修改关闭呢。
    里氏替换原则通俗的来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。它包含以下4层含义：

子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法
子类中可以增加自己特有的方法
当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的形参）要比父类方法的输入参数更宽松
当子类的方法实现父类的抽象方法时，方法的后置条件（即方法的返回值）要比父类更严格

看上去很不可思议，因为我们会发现在自己编程中常常会违反里氏替换原则，程序照样跑的好好的。所以大家都会产生这样的疑问，假如我非要不遵循里氏替换原则会有什么后果？后果就是：你写的代码出问题的机率将会大大增加。

7、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

这个原则的意思是，尽量使用合成/聚合的方式，而不是继承关系达到复用的目的。该原则就是在一个新的对象里面使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分：新的对象通过向这些对象的委派达到复用已有功能的目的。其实这里最重要的地方就是区分“has-a”和“is-a”的区别。相对于合成和聚合，继承的缺点在于：父类的方法全部暴露给子类。父类如果发生变化，子类也得发生变化。聚合的复用的时候就对另外的类依赖的比较的少。
新对象存取成分对象的唯一方法是通过成分对象的接口，这种复用是黑箱复用，因为成分对象的内部细节是新对象所看不见的，这种复用支持包装，所需的依赖较少；每一个新的类可以将焦点集中在一个任务上，可以在运行时动态进行，新对象可以使用合成/聚合关系将新的责任委派到合适的对象。但这种方式复用建造的系统会有较多的对象需要管理。
新的实现较为容易，因为基类的大部分功能可以通过继承关系自动进入派生类，修改或扩展继承而来的实现较为容易，但继承复用破坏包装，因为继承将基类的实现细节暴露给派生类，这种复用也称为白箱复用；如果基类的实现发生改变，那么派生类的实现也不得不发生改变；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，不够灵活。

注：本文内容主要参考了