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1.设计模式相关内容介绍

1.1.设计模式概述

1.1.1.软件设计模式产生背景

（1）"设计模式"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。
（2）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》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。
（3）1990年软件工程界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。直到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》一书，在此书中收录了 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）著称。

1.1.2.软件设计模式概念

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。

1.1.3.学习设计模式的必要性

（1）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。
（2）正确使用设计模式具有以下优点：
① 可以提高程序员的思维能力、编程能力和设计能力。
② 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。
③ 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。

1.1.4.设计模式分类

一般来说，设计模式可以分为以下 3 类：

1.2.UML图

UML( Unified Modeling Language )，即统一建模语言，是用来设计软件的可视化建模语言。它的特点是简单、统一、图形化、能表达软件设计中的动态与静态信息。UML 从目标系统的不同角度出发，定义了用例图、类图、对象图、状态图、活动图、时序图、协作图、构件图、部署图等 9 种图，下面将着重介绍类图。

1.2.1.类图概述

类图（Class diagram）是显示了模型的静态结构，特别是模型中存在的类、类的内部结构以及它们与其他类的关系等。类图不显示暂时性的信息。类图是面向对象建模的主要组成部分。

1.2.2.类图的作用

（1）在软件工程中，类图是一种静态的结构图，描述了系统的类的集合，类的属性和类之间的关系，可以简化人们对系统的理解；
（2）类图是系统分析和设计阶段的重要产物，是系统编码和测试的重要模型。

1.2.3.类图表示法

（1）在UML类图中，类使用包含类名、属性(field) 和方法(method) 且带有分割线的矩形来表示，比如下图表示一个Employee类，它包含name、age和address这3个属性，以及work()方法。

（2）属性/方法名称前加的加号和减号表示了这个属性/方法的可见性，UML类图中表示可见性的符号有三种：

属性的完整表示方式是： 可见性 名称 ：类型 [ = 缺省值]
方法的完整表示方式是： 可见性 名称(参数列表) [ ： 返回类型]

注意：
1.中括号中的内容表示是可选的
2.也有将类型放在变量名前面，返回值类型放在方法名前面

（3）下面举一个例子来进一步说明类图表示法

上图的Demo类定义了三个方法（不含属性）：
① method()方法：修饰符为public，没有参数，没有返回值。
② method1()方法：修饰符为private，没有参数，返回值类型为String。
③ method2()方法：修饰符为protected，接收两个参数，第一个参数类型为int，第二个参数类型为String，返回值类型是int。

1.2.4.类与类之间关系的表示方式

1.2.4.1.关联关系

关联关系是对象之间的一种引用关系，用于表示一类对象与另一类对象之间的联系，如老师和学生、师傅和徒弟、丈夫和妻子等。关联关系是类与类之间最常用的一种关系，分为一般关联关系、聚合关系和组合关系。我们先介绍一般关联。此外，关联又可以分为单向关联，双向关联，自关联。
（1）单向关联

在UML类图中，单向关联用一个带箭头的实线表示。上图表示每个顾客都有一个地址，这通过让Customer类持有一个类型为Address的成员变量类实现。
（2）双向关联

在UML类图中，双向关联用一个不带箭头的直线表示。从上图中容易看出，所谓的双向关联就是双方各自持有对方类型的成员变量。上图中在Customer类中维护一个List< Product >，表示一个顾客可以购买多个商品；在Product类中维护一个Customer类型的成员变量表示这个产品被哪个顾客所购买。
（3）自关联

在UML类图中，自关联用一个带有箭头且指向自身的线表示。上图的意思就是Node类包含类型为Node的成员变量，也就是“自己包含自己”，常用于链表中。

1.2.4.2.聚合关系

（1）聚合关系是关联关系的一种，是强关联关系，是整体和部分之间的关系。
（2）聚合关系也是通过成员对象来实现的，其中成员对象是整体对象的一部分，但是成员对象可以脱离整体对象而独立存在。例如，学校与老师的关系，学校包含老师，但如果学校停办了，老师依然存在。
（3）在 UML 类图中，聚合关系可以用带空心菱形的实线来表示，菱形指向整体。下图所示是大学和教师的关系图：

1.2.4.3.组合关系

（1）组合表示类之间的整体与部分的关系，但它是一种更强烈的聚合关系。
（2）在组合关系中，整体对象可以控制部分对象的生命周期，一旦整体对象不存在，部分对象也将不存在，部分对象不能脱离整体对象而存在。例如，头和嘴的关系，没有了头，嘴也就不存在了。
（3）在 UML 类图中，组合关系用带实心菱形的实线来表示，菱形指向整体。下图所示是头和嘴的关系图：

1.2.4.4.依赖关系

（1）依赖关系是一种使用关系，它是对象之间耦合度最弱的一种关联方式，是临时性的关联。在代码中，某个类的方法通过局部变量、方法的参数或者对静态方法的调用来访问另一个类（被依赖类）中的某些方法来完成一些职责。
（2）在 UML 类图中，依赖关系使用带箭头的虚线来表示，箭头从使用类指向被依赖的类。下图所示是司机和汽车的关系图，司机驾驶汽车：

1.2.4.5.继承关系

（1）继承关系是对象之间耦合度最大的一种关系，表示一般与特殊的关系，是父类与子类之间的关系，是一
种继承关系。
（2）在 UML 类图中，继承关系（也称为泛化关系）用带空心三角箭头的实线来表示，箭头从子类指向父类。在代码实现时，使用面向对象的继承机制来实现继承关系。例如，Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类，其类图如下图所示：

1.2.4.6.实现关系

（1）实现关系是接口与实现类之间的关系。在这种关系中，类实现了接口，类中的操作实现了接口中所声明的所有的抽象操作。
（2）在 UML 类图中，实现关系使用带空心三角箭头的虚线来表示，箭头从实现类指向接口。例如，汽车和船实现了交通工具，其类图如下图所示：

1.3.软件设计原则

1.3.1.开闭原则

（1）开闭原则的核心是对扩展开放，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。
（2）想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。
（3）【例】此处以搜狗输入法的皮肤设计来举例：
分析： 搜狗输入法 的皮肤是输入法背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（例如DefaultSpecificSkin、HeimaSpecificSkin）是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码，所以它是满足开闭原则的。

（4）代码演示：
AbstractSkin.java

package com.itheima.principles.OpenClose;

public abstract class AbstractSkin {
    
    //显示的方法
    public abstract void display();
}

DefaultSkin.java

package com.itheima.principles.OpenClose;

public class DefaultSkin extends AbstractSkin {
    
    public void display() {
        System.out.println("默认皮肤");
    }
}

HeimaSkin.java

package com.itheima.principles.OpenClose;

public class HeimaSkin extends AbstractSkin {
    
    public void display() {
        System.out.println("黑马皮肤");
    }
}

SougouInput.java

package com.itheima.principles.OpenClose;

public class SougouInput {
    
    private AbstractSkin skin;
    
    public void setSkin(AbstractSkin skin) {
        this.skin = skin;
    }
    
    public void display() {
        skin.display();
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.OpenClose;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //1.创建搜狗输入法对象
        SougouInput input = new SougouInput();
        //2.创建皮肤对象
        //DefaultSkin skin = new DefaultSkin();
        HeimaSkin skin = new HeimaSkin();
        //3.将皮肤设置到输入法中
        input.setSkin(skin);
        
        //4,显示皮肤
        input.display();
    }
}

1.3.2.里氏代换原则

（1）里氏代换原则：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，
但不能改变父类原有的功能。换句话说，子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。
（2）如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。
（3）【例】下面是里氏替换原则中一个经典的例子：正方形不是长方形。
在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，在开发一个与几何图形相关的软件系统时，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

Rectangle.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.before;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description:长方形类 */
public class Rectangle {
    
    private double length;
    private double width;
    
    public double getLength() {
        return length;
    }
    
    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }
    
    public double getWidth() {
        return width;
    }
    
    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

Square.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.before;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description:正方形类 */
public class Square extends Rectangle{
    //由于正方形的长和宽相同，所以在方法setLength和setWidth中，对长度和宽度都需要赋相同值。
    @Override
    public void setLength(double length) {
        super.setLength(length);
        super.setWidth(length);
    }
    
    @Override
    public void setWidth(double width) {
        super.setLength(width);
        super.setWidth(width);
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.before;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description: */
public class Client {
    
    public static void main(String[] args) {
        //创建长方形对象
        Rectangle rec = new Rectangle();
        //设置长和宽
        rec.setLength(20);
        rec.setWidth(10);
        //调用resize方法进行扩宽
        resize(rec);
        printLengthAndWidth(rec);
    
        System.out.println("==================");
        
        //下面这段代码会出现死循环
        //创建正方形对象
        Square squ = new Square();
        //设置长和宽
        squ.setLength(10);
        //调用resize方法进行扩宽
        resize(squ);
        printLengthAndWidth(squ);
    }
    
    //扩宽方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        //判断宽如果比长小，进行扩宽的操作
        while(rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }
    
    //打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }
}

运行一下这段代码就会发现，假如把一个普通长方形作为参数传入resize方法，就会看到长方形宽度逐渐增长的效果，当宽度大于长度，代码就会停止，这种行为的结果符合我们的预期；假如再把一个正方形作为参数传入resize方法后，就会看到正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。 故可以得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。
（4）使用里氏代换原则进行改进
此时需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)， 让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口。

Quadrilateral.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.after;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description:四边形接口 */
public interface Quadrilateral {

    //获取长
    double getLength();

    //获取宽
    double getWidth();
}

Rectangle.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.after;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description:长方形类 */
public class Rectangle implements Quadrilateral{
    
    private double length;
    private double width;
    
    public double getLength() {
        return length;
    }
    
    public void setLength(double length) {
        this.length = length;
    }
    
    public double getWidth() {
        return width;
    }
    
    public void setWidth(double width) {
        this.width = width;
    }
}

Square.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.after;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description:正方形类 */
public class Square implements Quadrilateral {
    
    private double side;
    
    public double getSide() {
        return side;
    }
    
    public void setSide(double side) {
        this.side = side;
    }
    
    public double getLength() {
        return side;
    }
    
    public double getWidth() {
        return side;
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.LiskovSubstitution.after;

/* *@ProjectName:design_patterns *@Description: */
public class Client {
    
    public static void main(String[] args) {
        //创建长方形对象
        Rectangle rec = new Rectangle();
        //设置长和宽
        rec.setLength(20);
        rec.setWidth(10);
        //调用resize方法进行扩宽
        resize(rec);
        printLengthAndWidth(rec);
        
        //此时resize()方法中的对象不能再是正方形
    }
    
    //扩宽方法
    public static void resize(Rectangle rectangle) {
        //判断宽如果比长小，进行扩宽的操作
        while(rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {
            rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);
        }
    }
    
    //打印长和宽
    public static void printLengthAndWidth(Rectangle rectangle) {
        System.out.println(rectangle.getLength());
        System.out.println(rectangle.getWidth());
    }
}

1.3.3.依赖倒转原则

（1）依赖倒转原则：高层模块不应该依赖低层模块，两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。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。
（2）【例】下面举了一个例子，以便于更好地理解依赖倒转原则
现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条等。只有这些配置都有了，计算机才能正常地运行。CPU有很多选择，例如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，海盗船等。

代码如下：
XiJieHardDisk.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion;

public class XiJieHardDisk {
    //存储数据的方法
    public void save(String data) {
        System.out.println("使用希捷硬盘存储数据为：" + data);
    }
    
    //获取数据的方法
    public String get() {
        System.out.println("使用希捷希捷硬盘取数据");
        return "数据";
    }
}

IntelCpu.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion;

public class IntelCpu {

    public void run() {
        System.out.println("使用Intel处理器");
    }
}

KingstonMemory.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion;

public class KingstonMemory {

    public void save() {
        System.out.println("使用金士顿内存条");
    }
}

Computer.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion;

public class Computer {

    private XiJieHardDisk hardDisk;
    private IntelCpu cpu;
    private KingstonMemory memory;

    public XiJieHardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(XiJieHardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public IntelCpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(IntelCpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public KingstonMemory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(KingstonMemory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    public void run() {
        System.out.println("运行计算机");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上获取的数据是：" + data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建组件对象
        XiJieHardDisk hardDisk = new XiJieHardDisk();
        IntelCpu cpu = new IntelCpu();
        KingstonMemory memory = new KingstonMemory();

        //创建计算机对象
        Computer c = new Computer();
        //组装计算机
        c.setCpu(cpu);
        c.setHardDisk(hardDisk);
        c.setMemory(memory);

        //运行计算机
        c.run();
    }
}

上面代码可以看到已经组装了一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件。
（3）根据依赖倒转原则进行改进
只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类。

部分关键代码如下：
HardDisk.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion.after;

public interface HardDisk {

    //存储数据
    public void save(String data);

    //获取数据
    public String get();
}

Cpu.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion.after;

public interface Cpu {
    //运行cpu
    public void run();
}

Memory.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion.after;

public interface Memory {

    public void save();
}

Computer.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion.after;

public class Computer {
	//定义各个配件的接口
    private HardDisk hardDisk;
    private Cpu cpu;
    private Memory memory;

    public HardDisk getHardDisk() {
        return hardDisk;
    }

    public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {
        this.hardDisk = hardDisk;
    }

    public Cpu getCpu() {
        return cpu;
    }

    public void setCpu(Cpu cpu) {
        this.cpu = cpu;
    }

    public Memory getMemory() {
        return memory;
    }

    public void setMemory(Memory memory) {
        this.memory = memory;
    }

    //运行计算机
    public void run() {
        System.out.println("运行计算机");
        String data = hardDisk.get();
        System.out.println("从硬盘上获取的数据是：" + data);
        cpu.run();
        memory.save();
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.DependenceInversion.after;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {

        //创建计算机的组件对象
        HardDisk hardDisk = new XiJieHardDisk();
        Cpu cpu = new IntelCpu();
        Memory memory = new KingstonMemory();

        //创建计算机对象
        Computer c = new Computer();
        //组装计算机
        c.setCpu(cpu);
        c.setHardDisk(hardDisk);
        c.setMemory(memory);

        //运行计算机
        c.run();
    }
}

1.3.4.迪米特法则

（1）迪米特法则（又叫最少知识原则）：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，通俗地讲就是只和你的直接朋友交谈，不跟“陌生人”说话（Talk only to your immediate friends and not to strangers）。其目的是降低类之间的耦合度，提高模块的相对独立性。
（2）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。
（3）下面看一个例子来理解迪米特法则：
【例】明星与经纪人的关系实例
明星的许多日常事务由经纪人负责处理，如和粉丝的见面会，和媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则。类图如下：

代码如下：
Fans.java

package com.itheima.principles.DemeterLaw;

public class Fans {

    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public Fans(String name) {
        this.name = name;
    }
}

Company.java

package com.itheima.principles.DemeterLaw;

public class Company {
    private String name;

    public String getName() {
        return name;
    }

    public Company(String name) {
        this.name = name;
    }
}

Star.java

package com.itheima.principles.DemeterLaw;

public class Star {
    private String name;

    public Star(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

Agent.java

package com.itheima.principles.DemeterLaw;

public class Agent {

    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;

    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }

    public void setFans(Fans fans) {
        this.fans = fans;
    }

    public void setCompany(Company company) {
        this.company = company;
    }

    //和粉丝见面的方法
    public void meeting() {
        System.out.println(star.getName() + "和粉丝" + fans.getName() + "见面");
    }

    //和媒体公司洽谈的方法
    public void business() {
        System.out.println(star.getName() + "和" + company.getName() + "洽谈");
    }
}

Client.java

package com.itheima.principles.DemeterLaw;

public class Client {
    public static void main(String[] args) {
        //创建经纪人类
        Agent agent = new Agent();
        //创建明星对象
        Star star = new Star("林青霞");
        agent.setStar(star);
        //创建粉丝对象
        Fans fans = new Fans("李四");
        agent.setFans(fans);
        //创建媒体公司对象
        Company company = new Company("黑马媒体公司");
        agent.setCompany(company);

        agent.meeting();//和粉丝见面
        agent.business();//和媒体公司洽谈业务
    }
}

1.3.5.合成复用原则

（1）合成复用原则：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。
（2）通常类的复用分为继承复用和合成复用两种。继承复用虽然有简单和易实现的优点，但它也存在以下缺点：
① 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类，父类对子类是透明的，所以这种复用又称为“白箱”复用。
② 子类与父类的耦合度高。父类的实现的任何改变都会导致子类的实现发生变化，这不利于类的扩展与维护。
③ 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的，在编译时已经定义，所以在运行时不可能发生变化。
（3）采用组合或聚合复用时，可以将已有对象纳入新对象中，使之成为新对象的一部分，新对象可以调用已有对象的功能，它有以下优点：
① 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的，所以这种复用又称为“黑箱”复用。
② 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。
③ 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。
（4）下面看一个例子来理解合成复用原则：
【例】汽车分类管理程序
汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等；按“颜色”划分可分为白色汽车、黑色汽车和红色汽车等。如果同时考虑这两种分类，其组合就很多。类图如下：

从上面类图我们可以看到使用继承复用产生了很多子类，如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话，就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下。