概念與意義
軟件設計模式（Software Design Pattern），又稱設計模式，是一套被反復使用、多數人知曉的、經過分類編目的、代碼設計經驗的總結。它描述了在軟件設計過程中的一些不斷重復發生的問題，以及該問題的解決方案。也就是說，它是解決特定問題的一系列套路，是前輩們的代碼設計經驗的總結，具有一定的普遍性，可以反復使用。其目的是為了提高代碼的可重用性、代碼的可讀性和代碼的可靠性。
設計模式的本質是面向對象設計原則的實際運用，是對類的封裝性、繼承性和多態性以及類的關聯關系和組合關系的充分理解，正確使用設計模式具有以下優點:
- 可以提高程序員的思維能力、編程能力和設計能力。
- 使程序設計更加標准化、代碼編制更加工程化，使軟件開發效率大大提高，從而縮短軟件的開發周期。
- 使設計的代碼可重用性高、可讀性強、可靠性高、靈活性好、可維護性強。
基本要素
軟件設計模式使人們可以更加簡單方便地復用成功的設計和體系結構，它通常包含以下幾個基本要素：模式名稱、別名、動機、問題、解決方案、效果、結構、模式角色、合作關系、實現方法、適用性、已知應用、例程、模式擴展和相關模式等。
其中最關鍵的元素包括以下 4 個主要部分：
- 模式名稱：每一個模式都有自己的名字，通常用一兩個詞來描述，可以根據模式的問題、特點、解決方案、功能和效果來命名。模式名稱（PatternName）有助於我們理解和記憶該模式，也方便我們來討論自己的設計。
- 問題：問題（Problem）描述了該模式的應用環境，即何時使用該模式。它解釋了設計問題和問題存在的前因后果，以及必須滿足的一系列先決條件。
- 解決方案：模式問題的解決方案（Solution）包括設計的組成成分、它們之間的相互關系及各自的職責和協作方式。因為模式就像一個模板，可應用於多種不同場合，所以解決方案並不描述一個特定而具體的設計或實現，而是提供設計問題的抽象描述和怎樣用一個具有一般意義的元素組合（類或對象的 組合）來解決這個問題。
- 效果：描述了模式的應用效果以及使用該模式應該權衡的問題，即模式的優缺點。主要是對時間和空間的衡量，以及該模式對系統的靈活性、擴充性、可移植性的影響，也考慮其實現問題。顯式地列出這些效果（Consequence）對理解和評價這些模式有很大的幫助。
模式分類
根據目的來分
根據模式是用來完成什么工作來划分，這種方式可分為創建型模式、結構型模式和行為型模式 3 種：
- 創建型模式：用於描述“怎樣創建對象”，它的主要特點是“將對象的創建與使用分離”。GoF 中提供了單例、原型、工廠方法、抽象工廠、建造者等 5 種創建型模式。
- 結構型模式：用於描述如何將類或對象按某種布局組成更大的結構。GoF 中提供了代理、適配器、橋接、裝飾、外觀、享元、組合等 7 種結構型模式。
- 行為型模式：用於描述類或對象之間怎樣相互協作共同完成單個對象都無法單獨完成的任務，以及怎樣分配職責。GoF 中提供了模板方法、策略、命令、職責鏈、狀態、觀察者、中介者、迭代器、訪問者、備忘錄、解釋器等 11 種行為型模式。
根據作用范圍來分
根據模式是主要用於類上還是主要用於對象上來分，這種方式可分為類模式和對象模式兩種：
- 類模式：用於處理類與子類之間的關系，這些關系通過繼承來建立，是靜態的，在編譯時刻便確定下來了。GoF中的工廠方法、（類）適配器、模板方法、解釋器屬於該模式。
- 對象模式：用於處理對象之間的關系，這些關系可以通過組合或聚合來實現，在運行時刻是可以變化的，更具動態性。GoF 中除了以上 4 種，其他的都是對象模式。
23種設計模式的分類
| 范圍\目的 | 創建型模式 | 結構型模式 | 行為型模式 |
|---|---|---|---|
| 類模式 | 工廠方法 | (類）適配器 | 模板方法、解釋器 |
| 對象模式 | 單例 原型 抽象工廠 建造者 |
代理 (對象）適配器 橋接 裝飾 外觀 享元 組合 |
策略 命令 職責鏈 狀態 觀察者 中介者 迭代器 訪問者 備忘錄 |
模式分類概述
創建型模式概述
創建型模式的主要關注點是“怎樣創建對象？”，它的主要特點是“將對象的創建與使用分離”。這樣可以降低系統的耦合度，使用者不需要關注對象的創建細節，對象的創建由相關的工廠來完成。就像我們去商場購買商品時，不需要知道商品是怎么生產出來一樣，因為它們由專門的廠商生產。
創建型模式分為以下幾種：
- 單例（Singleton）模式：某個類只能生成一個實例，該類提供了一個全局訪問點供外部獲取該實例，其拓展是有限多例模式。
- 原型（Prototype）模式：將一個對象作為原型，通過對其進行復制而克隆出多個和原型類似的新實例。
- 工廠方法（FactoryMethod）模式：定義一個用於創建產品的接口，由子類決定生產什么產品。
- 抽象工廠（AbstractFactory）模式：提供一個創建產品族的接口，其每個子類可以生產一系列相關的產品。
- 建造者（Builder）模式：將一個復雜對象分解成多個相對簡單的部分，然后根據不同需要分別創建它們，最后構建成該復雜對象。
以上 5 種創建型模式，除了工廠方法模式屬於類創建型模式，其他的全部屬於對象創建型模式。
結構型模式概述
結構型模式描述如何將類或對象按某種布局組成更大的結構。它分為類結構型模式和對象結構型模式，前者采用繼承機制來組織接口和類，后者釆用組合或聚合來組合對象。
由於組合關系或聚合關系比繼承關系耦合度低，滿足“合成復用原則”，所以對象結構型模式比類結構型模式具有更大的靈活性。
結構型模式分為以下 7 種：
- 代理（Proxy）模式：為某對象提供一種代理以控制對該對象的訪問。即客戶端通過代理間接地訪問該對象，從而限制、增強或修改該對象的一些特性。
- 適配器（Adapter）模式：將一個類的接口轉換成客戶希望的另外一個接口，使得原本由於接口不兼容而不能一起工作的那些類能一起工作。
- 橋接（Bridge）模式：將抽象與實現分離，使它們可以獨立變化。它是用組合關系代替繼承關系來實現的，從而降低了抽象和實現這兩個可變維度的耦合度。
- 裝飾（Decorator）模式：動態地給對象增加一些職責，即增加其額外的功能。
- 外觀（Facade）模式：為多個復雜的子系統提供一個一致的接口，使這些子系統更加容易被訪問。
- 享元（Flyweight）模式：運用共享技術來有效地支持大量細粒度對象的復用。
- 組合（Composite）模式：將對象組合成樹狀層次結構，使用戶對單個對象和組合對象具有一致的訪問性。
以上 7 種結構型模式，除了適配器模式分為類結構型模式和對象結構型模式兩種，其他的全部屬於對象結構型模式。
行為型模式概述
行為型模式用於描述程序在運行時復雜的流程控制，即描述多個類或對象之間怎樣相互協作共同完成單個對象都無法單獨完成的任務，它涉及算法與對象間職責的分配。
行為型模式分為類行為模式和對象行為模式，前者采用繼承機制來在類間分派行為，后者采用組合或聚合在對象間分配行為。由於組合關系或聚合關系比繼承關系耦合度低，滿足“合成復用原則”，所以對象行為模式比類行為模式具有更大的靈活性。
行為型模式是 GoF 設計模式中最為龐大的一類，它包含以下 11 種模式：
- 模板方法（Template Method）模式：定義一個操作中的算法骨架，將算法的一些步驟延遲到子類中，使得子類在可以不改變該算法結構的情況下重定義該算法的某些特定步驟。
- 策略（Strategy）模式：定義了一系列算法，並將每個算法封裝起來，使它們可以相互替換，且算法的改變不會影響使用算法的客戶。
- 命令（Command）模式：將一個請求封裝為一個對象，使發出請求的責任和執行請求的責任分割開。
- 職責鏈（Chain of Responsibility）模式：把請求從鏈中的一個對象傳到下一個對象，直到請求被響應為止。通過這種方式去除對象之間的耦合。
- 狀態（State）模式：允許一個對象在其內部狀態發生改變時改變其行為能力。
- 觀察者（Observer）模式：多個對象間存在一對多關系，當一個對象發生改變時，把這種改變通知給其他多個對象，從而影響其他對象的行為。
- 中介者（Mediator）模式：定義一個中介對象來簡化原有對象之間的交互關系，降低系統中對象間的耦合度，使原有對象之間不必相互了解。
- 迭代器（Iterator）模式：提供一種方法來順序訪問聚合對象中的一系列數據，而不暴露聚合對象的內部表示。
- 訪問者（Visitor）模式：在不改變集合元素的前提下，為一個集合中的每個元素提供多種訪問方式，即每個元素有多個訪問者對象訪問。
- 備忘錄（Memento）模式：在不破壞封裝性的前提下，獲取並保存一個對象的內部狀態，以便以后恢復它。
- 解釋器（Interpreter）模式：提供如何定義語言的文法，以及對語言句子的解釋方法，即解釋器。
以上 11 種行為型模式，除了模板方法模式和解釋器模式是類行為型模式，其他的全部屬於對象行為型模式。