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設計模式的七大原則詳解

本文轉載自   查看原文   2020-07-17 14:28   1027    Java設計模式

1 認識設計模式

1.1 什么是設計模式

所謂設計模式，就是對經常出現的軟件設計問題的成熟解決方案。

很多人把設計模式想象成非常高深的概念，實際上設計模式僅僅是對特定問題的一種慣性思維。筆者見過一些學員喜歡抱着一本設計模式的書研究，以期成為一個“高手”，實際上設計模式的理解必須以足夠的代碼積累量作為基礎，最好是經歷過某種痛苦，或者正在經歷一種苦痛，就會對設計模式有較深的感受。

1.2 設計模式的目的

編寫軟件的過程中，程序員面臨着來自耦合性、內聚性以及可維護性、可擴展性、重用性、靈活性等多方面的挑戰，設計模式是為了讓程序擁有更好的：

  • 代碼可重用性。相同功能的代碼，不用多次編寫；
  • 可讀性。便於其他程序員的閱讀和理解；
  • 可擴展性。當需要增加新功能時，非常方便；
  • 可靠性。當增加新的功能后，對原來的功能沒有影響；
  • 使程序呈現高內聚、低耦合的特點。

1.3 什么是設計模式的原則

設計模式原則，其實就是程序員在編程時，應當遵循的原則，也就是各種設計模式的基礎，即設計模式為什么這樣設計的依據。

設計模式的七大原則有：

  1. 單一職責原則
  2. 接口隔離原則
  3. 依賴倒置原則
  4. 里氏替換原則
  5. 開閉原則
  6. 迪米特法則
  7. 合成復用原則

2 單一職責原則

2.1 什么是單一職責原則

對類來說，一個類應該只負責一項職責。如類A負責兩個不同職責：職責1，職責2，當職責1需求變更而改變類A時，可能造成職責2執行錯誤，所以需要將類A的粒度分解為A1，A2。

2.2 應用實例

方案一：

/**
 * 方式一的run方法中，違反了單一職責原則，
 * 解決的方案是根據交通工具運行方法不同，分解成不同類即可
 */
public class SingleResponsebility1 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.run("汽車");
        vehicle.run("摩托");
        vehicle.run("飛機");
    }
}

class Vehicle {
    public void run(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle+"在公路上跑");
    }
}

方案二：

/**
 * 方案二遵循單一職責原則
 * 但是這樣做的改動很大，即將類分解，同時修改客戶端
 * 改進：直接修改Vehicle類，改動的代碼會比較少
 */
public class SingleResponsibility2 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle1 vehicle1 = new Vehicle1();
        vehicle1.run("汽車");
        Vehicle2 vehicle2 = new Vehicle2();
        vehicle2.run("輪船");
        Vehicle3 vehicle3 = new Vehicle3();
        vehicle3.run("飛機");
    }
}


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：

/**
 * 這種修改方法沒有對原來的類做大的修改，只是增加方法
 * 這里雖然沒有在類這個級別上遵循單一職責原則，但是在方法級別上，仍然遵守這個原則
 */
public class SingleResonsibility3 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle4 vehicle4 = new Vehicle4();
        vehicle4.run("汽車");
        vehicle4.run2("輪船");
        vehicle4.run3("飛機");
    }
}

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 注意事項

  • 降低類的復雜度，一個類只負責一項職責；
  • 提高類的可讀性、可維護性；
  • 降低變更引起的風險；
  • 通常情況下，我們應當遵守單一職責原則，只有邏輯足夠簡單，才可以在代碼級違反單一職責原則：只有類中方法數量足夠少，可以在方法級別保存單一職責原則。

3 接口隔離原則

3.1 什么是接口隔離原則

客戶端不應該依賴它不需要的接口，即一個類對另一個類的依賴應該建立在最小的接口上。

3.2 應用實例

如圖，類A通過接口Interface1依賴類B，類C通過接口Interface1依賴類D，如果接口Interface1對於類A和類C來說不是最小接口，那么類B和類D必須去實現他們不需要的方法。
在這里插入圖片描述

public class Segregation1 {
}

//接口
interface Interface1 {
    void operation1();

    void operation2();

    void operation3();

    void operation4();

    void operation5();
}

class B implements Interface1 {

    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B實現了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B實現了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B實現了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("B實現了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("B實現了operation5");
    }
}

class D implements Interface1 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D實現了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("D實現了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("D實現了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D實現了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D實現了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();
    }
}

按隔離原則應當這樣處理：將接口Interface1拆分為獨立的幾個接口，類A和類C分別與他們需要的接口建立依賴關系。也就是采用接口隔離原則。
在這里插入圖片描述

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 {

    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B實現了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B實現了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B實現了operation3");
    }
}

class D implements Interface1, Interface3 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D實現了operation1");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D實現了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D實現了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 依賴倒轉原則

4.1 什么是依賴倒轉原則

依賴倒轉原則是指高層模塊不應該依賴低層模塊，二者都應該依賴其抽象；抽象不應該依賴細節，細節應該依賴抽象；依賴倒轉的中心思想是面向接口編程。

依賴倒轉原則是基於這樣的設計理念：相對於細節的多變性，抽象的東西要穩定的多。以抽象為基礎搭建的架構比以細節為基礎的架構要穩定的多。在java中，抽象指的是接口或者抽象類，細節就是具體的實現類。

使用接口或抽象類的目的是制定好規范，而不涉及任何具體的操作，把展現細節的任務交給他們的實現類去完成。

4.2 應用實例

請編程完成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 "電子郵件：Hello World!!!";
    }
}

class Persion {
    public void receive(Email e) {
        System.out.println(e.getInfo());
    }
}

方案二：

/**
 * 如果我們獲取的對象是微信、短信等等，則新增類，同時Persion也要增加相應的接收方法
 * 解決思路：引入一個抽象的接口IReceiver，表示接收者，這樣Persion類與接口IReceiver發生依賴
 * 因為Email、WeChat等等屬於接收的范圍，它們各自實現IReceiver接口就可以，這樣我們就符合依賴倒轉原則
 */
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 {
    @Override
    public String getInfo() {
        return "電子郵件：Hello World!";
    }
}

class WeChat implements IReceiver {
    @Override
    public String getInfo() {
        return "微信消息：Hello weixin";
    }
}


class Persion2 {
    public void receive(IReceiver i) {
        System.out.println(i.getInfo());
    }
}

4.3 依賴傳遞的三種方式

接口傳遞、構造方法傳遞、setter方法傳遞。

//第一種方式：接口傳遞
//開關的接口
interface IOpenAndClose {
    public void opoen(ITV tv);//抽象方法，接收接口
}

interface ITV {//ITV接口

    public void play();
}

//實現接口
class OpenAndColse implements IOpenAndClose {
    @Override
    public void opoen(ITV tv) {
        tv.play();
    }
}

//方式二：構造方法傳遞
interface IOpenAndClose {
    public void open();//抽象方法
}

interface ITV {//ITV接口

    public void play();
}

class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
    public ITV tv;//成員

    public OpenAndClose(ITV tv) {//構造方法
        this.tv = tv;
    }

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

//方式三：setter方法傳遞
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;
    }

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

4.4 注意事項

底層模塊盡量都要有抽象類或接口，或者兩者都有，程序穩定性更好。

變量的聲明類型盡量是抽象類或接口，這樣我們的變量引用和實際對象間，就存在一個緩沖層，利於程序擴展和優化。

繼承時要遵循里氏替換原則。

5 里氏替換原則

5.1 什么是里氏替換原則

關於繼承性的思考和說明

繼承包含這樣一層含義：父類中凡是已經實現好的方法，實際上是在設定規范和契約，雖然它不強制要求所有的子類必須遵循這些契約，但是如果子類對這些已經實現的方法任意修改，就會對整個繼承體系造成破壞。

繼承在給程序設計帶來便利的同時，也帶來了弊端。比如使用繼承會給程序帶來侵入性，程序的可移植性降低，增加對象間的耦合性，如果一個類被其他的類所繼承，則當這個類需要修改時，必須考慮到所有的子類，並且父類修改后，所有涉及到子類的功能都有可能產生故障。

所以，在編程中，如何正確的使用繼承？使用里氏替換原則。

基本介紹

里氏替換原則是由麻省理工學院的一位姓里的女士在1988年提出的。

如果對每個類型為T1的對象o1，都有類型為T2的對象o2，使得以T1定義的所有程序P在所有的對象o1都帶換成o2時，程序P的行為沒有發生變化，那么類型T2是類型T1的子類型。換句話說，所有引用基類的地方必須能透明地使用其子類的對象。
在使用繼承時，遵循里氏替換原則，在子類中盡量不要重寫父類的方法。

里氏替換原則告訴我們，繼承實際上讓兩個類耦合性增強了，在適當情況下，可以通過聚合、組合、依賴來解決問題。

5.2 應用實例

一個程序引發的問題和思考。

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));//這里本意是求出11-3
        System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
    }
}

class A {
    // 重寫了A類的方法，可能是無意識的
    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;
    }
}

我們發現原來運行正常的相減功能發生了錯誤，原因就是類B無意中重寫了父類的方法，造成原有功能出現錯誤。在實際編程中，我們常常會通過重寫父類的方法完成新的功能，這樣寫起來雖然簡單，但整個繼承體系的復用性會比較差，特別是運行多態比較頻繁的時候。

通用的做法是：原來的父類和子類都繼承一個更通俗的基類，原有的繼承關系去掉，采用依賴、聚合、組合等關系替代。

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();
        //因為B類不再繼承A類，因此調用者，不會再認為func1是求減法的。
        //調用完成的功能就會很明確
        System.out.println("11+3=" + b.func1(11, 3));
        System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
        //使用組合仍然可以使用到A類相關方法
        System.out.println("11-3=" + b.func3(11, 3));
    }
}

class Base {
//把更加基礎的方法和成員寫到Base類
}

class A extends Base {
    // 重寫了A類的方法，可能是無意識的
    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，使用組合關系
    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;
    }

    //如果我們仍然想使用A的方法
    public int func3(int a, int b) {
        return this.a.func1(a, b);
    }
}

6 開閉原則

6.1 什么是開閉原則

開閉原則是編程中最基礎、最重要的設計原則。
一個軟件實體如類、模塊和函數應該對擴展開放（對提供方），對修改關閉（對適用方）。用抽象構建框架，用實現擴展細節。
當軟件需要變化時，盡量通過擴展軟件實體的行為來實現變化，而不是通過修改已有的代碼來實現變化。
編程中遵循其他原則，以及使用設計模式的目的就是遵循開閉原則。

6.2 應用實例

看一段畫圖代碼。

public class Ocp {
    public static void main(String[] args) {
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
    }
}

//這是一個用於繪圖的類
class GraphicEditor {
    //接收Shape時對象，然后根據type，來繪制不同的圖形
    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("繪制矩形");
    }

    public void drawCircle(Shape r) {
        System.out.println("繪制圓形");
    }
}

//Shape類，基類
class Shape {
    int m_type;
}

class Rectangle extends Shape {
    Rectangle() {
        super.m_type = 1;
    }
}

class Circle extends Shape {
    Circle() {
        super.m_type = 2;
    }
}

這段代碼的優點是比較好理解，簡單易操作。

缺點是違反了設計模式的開閉原則，即當我們給類增加新功能的時候，盡量不修改代碼，或者盡可能少修改代碼。

比如我們這時要新增加一個圖形種類：三角形，我們需要修改的地方較多。

改進方案：把Shape類做成抽象類，並提供一個抽象的draw方法，讓子類去實現即可，這樣我們有新的圖形種類時，只需要讓新的圖形類繼承Shape，並實現draw方法即可，“使用方”的代碼就不需要修改，滿足了開閉原則。

public class Ocp {
    public static void main(String[] args) {
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
    }
}

//這是一個用於繪圖的類
class GraphicEditor {
    //接收Shape時對象，然后根據type，來繪制不同的圖形
    public void drawShape(Shape s) {
        s.draw();
    }
}

//Shape類，基類
abstract class Shape {
    public abstract void draw();//抽象方法
}

class Rectangle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("繪制矩形");
    }
}

class Circle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("繪制圓形");
    }
}

7 迪米特法則

7.1 什么是迪米特法則

一個對象應該對其他對象保持最少的了解。

類與類關系越密切，耦合度越大。

迪米特法則又叫最少知道原則，即一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說，對於被依賴的類不管多么復雜，都盡量將邏輯封裝在類的內部。對外除了提供 public方法，不對外泄露任何信息。

迪米特法則還有個更簡單的定義：只與直接的朋友通信。

直接的朋友：每個對象都會與其他對象有耦合關系，只要兩個對象之間有耦合關系，我們就說這兩個對象之間是朋友關系。耦合的方式很多，依賴，關聯，組合，聚合等。其中，我們稱出現成員變量，方法參數，方法返回值中的類為直接的朋友，而出現在局部變量中的類不是直接的朋友。也就是說，陌生的類最好不要以局部變量的形式出現在類的內部。

7.2 應用實例

編程實現以下功能：有一個學校，下屬有各個學院和總部，現要求打印出學校總部員工ID和學院員工的id。

public class Demeter {
    public static void main(String[] args) {
        SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
        schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
    }
}

//學校總部員工
class Employee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//學院員工
class CollegeEmployee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//管理學院員工的類
class CollegeManager {
    //返回學院的所有員工
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {//增加了10個員工
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("學院員工id=" + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
}

/**
 * 管理學校員工的類
 * 分析：SchoolManager類的直接朋友有哪些？
 * 直接朋友有“Employee”、“CollegeManager”
 * 非直接朋友有“CollegeEmployee”
 * 這就違背了迪米特法則
 */
class SchoolManager {
    //返回學校總部的員工
    public List<Employee> getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();

        for (int i = 0; i < 5; i++) { //增加了5個員工
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("學校總部員工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //完成輸出學校總部和學院員工信息的方法
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        //獲取學院員工
        //CollegeEmployee是以局部變量的形式出現在SchoolManager類中
        //解決方案：將獲取學院員工的方法封裝到CollegeManager中
        List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
        System.out.println("------------學院員工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
        //獲取學校總部員工
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------學校總部員工------------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

前面設計的問題在於SchoolManager中，CollegeEmployee類並不是SchoolManager類的直接朋友。

按照迪米特法則，應該避免出現非直接朋友關系的耦合。

對代碼按照迪米特法則進行改進如下：

public class Demeter {
    public static void main(String[] args) {
        SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
        schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
    }
}

//學校總部員工
class Employee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//學院員工
class CollegeEmployee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//管理學院員工的類
class CollegeManager {
    //返回學院的所有員工
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {//增加了10個員工
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("學院員工id=" + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //獲取學院員工
    public void printEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list1 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------學院員工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

/**
 * 管理學校員工的類
 * 分析：SchoolManager類的直接朋友有哪些？
 * 直接朋友有“Employee”、“CollegeManager”
 * 非直接朋友有“CollegeEmployee”
 * 這就違背了迪米特法則
 */
class SchoolManager {
    //返回學校總部的員工
    public List<Employee> getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();

        for (int i = 0; i < 5; i++) { //增加了5個員工
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("學校總部員工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //完成輸出學校總部和學院員工信息的方法
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        //獲取學院員工
        sub.printEmployee();
        //獲取學校總部員工
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------學校總部員工------------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

7.3 注意事項

迪米特法則的核心是降低類之間的耦合性。

但是注意：由於每個類都減少了不必要的依賴，因此迪米特法則只是要求降低類間（對象間）耦合關系，並不是要求完全沒有依賴關系。

8 合成復用原則

8.1 什么是合成復用原則

合成復用原則就是盡量使用合成/聚合的方式，而不是使用繼承。
在這里插入圖片描述

設計原則的核心思想

  • 找出應用中可能需要變化之處，把它們獨立出來，不要和那些不需要變化的代碼混在一起；
  • 針對接口編程，而不是針對實現編程；
  • 為了交互對象之間的松耦合設計而努力。


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