一、當我們談論設計模式的時候，我們在談什么？

設計模式是為特定場景下的問題而定制的解決方案，是對特定面向對象設計問題主要方面的一種抽象。程序如果在設計中使用了設計模式，將來就更易于復用和擴展、且易于變更。另外，基于設計模式的程序會更加簡潔和高效，因為達成同樣目的所需的代碼會更少。

最早對設計模式做出權威性論述和分類的是 Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software，由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 合著，簡稱 Gang of Four (GoF)。書中論述了根據(jù)創(chuàng)建型（Creational）、結構型（Structural）、行為型（Behavioral）劃分的一共 23 種設計模式。

接下來會結合在 Cocoa Touch 中的應用來談論一些常見的設計模式。

二、MVC——設計模式之王

MVC 幾乎是構建 Cocoa 的基石，也是最廣泛應用的設計模式。它把對象根據(jù)其在應用程序中的作用劃分為三類并鼓勵依此劃分代碼區(qū)域：

• model：代表數(shù)據(jù)結構
• view：用來可視化數(shù)據(jù)結構，或負責與用戶的交互
• controller：協(xié)調 model 和 view，從 model 拿到數(shù)據(jù)并用 view 進行顯示，或者收聽通知并處理數(shù)據(jù)等

MVC 其實并不是一種單一的設計模式，而是許多設計模式的組合。例如，controller 可以視為 controller 和 view 的 Mediator 并應用了 Strategy，view 的結構是 Composite，view 和 controller 的 target-action 模式應用了 Command，controller 通過 Observer 接收 model 發(fā)生變化的通知。

三、Cocoa Touch 中最常見的兩種模式

Delegation

Delegation 并不屬于 GoF 提出的 23 種設計模式中的一種，但是在 Cocoa Touch 中很常見，一般有兩種：

1. view 和 controller 溝通的方式

   view 的編程方式一般是 generic 的，因此怎么顯示 view 或得到顯示 view 需要的數(shù)據(jù)源一般通過詢問它的 delegate 完成。通常情況下會將 controller 作為 view 的 delegate（或 data source），例如：

   • UITableView
   • UITextField
   • UIGestureRecognizer

2. 其他對象之間的交互

   可以用于任何「不關心對方是什么類型，只要可以作為我的 delegate 能幫我完成一些特定任務」的場合。

這些「特定任務」通過協(xié)議來規(guī)定，因此 Delegation 是基于協(xié)議的。

雖然 Delegation 不是 GoF 提出的一種，但也間接地實現(xiàn)了一些經典的設計模式，例如 Adapter，其含義為將一個接口轉換成客戶希望的另一個接口，使接口不兼容的那些類可以一起工作。類圖如下

典型的 Adapter 模式是會對 Adaptee 類構造一個 wrapper 類也就是 Adapter，并在 Adapter 中實現(xiàn)客戶希望的另一個接口。Delegation 沒有對類進行封裝，但是間接實現(xiàn)了讓接口不兼容的類一起工作的目的。

其他用 Delegation 實現(xiàn)的設計模式將在下文提到。

Observer

Observer 模式定義了對象間的一種一對多依賴關系，使得每當一個對象狀態(tài)發(fā)生改變時，其相關依賴對象皆得到通知并被自動更新。本質上是一種「發(fā)布-訂閱」模型，使得對象和它的觀察者之間解耦，可以在不知道彼此的情況下交流。其類圖如下

在 Cocoa Touch 中有兩種實現(xiàn)方式：

1. Notification

   Notification 機制實現(xiàn)了一對多的消息廣播。對象可以向 notification center 注冊成為某具體通知的 observer，這樣當有其他對象發(fā)布了該通知時，notification center 就會通知 observer 對象。

   具體通知例如 UIKeyboardWillShow（鍵盤將彈出，這時 UI 可以相應做出變化），UIApplicationDidEnterBackground（app 進入后臺，可以迅速保存一些當前數(shù)據(jù)）等等系統(tǒng)通知，或者一些自定義通知。

2. Key-Value Observing (KVO)

   KVO 主要用來觀察其他對象屬性的變化。尤其在 MVC 模式中，可以使 view 和 model 的變化保持同步（通過 controller）。KVO 和 Notification 的區(qū)別在于它不需要 notification center，而是直接將變化告知了 observer。Notification 更多地應用于系統(tǒng)通知。

四、經典設計模式在 iOS 中的應用

Creational

Prototype

使用原型實例指定創(chuàng)建對象的種類，并通過復制這個原型創(chuàng)建新的對象。

這種模式很簡單，指無需手動創(chuàng)建、通過復制就可以制造同一類型的多個實例。

在 Cocoa Touch 中的一個典型應用是 UITableViewCell：

Use dynamic prototypes to design one cell and then use it as the template for other cells in the table. Use a dynamic prototype when multiple cells in a table should use the same layout to display information.

要通過原型復制得到新的對象，需要實現(xiàn)深復制協(xié)議。對于 NSObject 的子類，需要實現(xiàn) NSCopying 協(xié)議及其方法 - (id)copyWithZone:(NSZone *)zone。通過調用實例方法 -(id)copy 進行復制，該方法默認會調用 [self copyWithZone:nil]。

Singleton

單例模式保證一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。

在 Cocoa Touch 中的應用有兩種情況：

1. 單一資源

   例如 CoreLocation 中的 CLLocationManager 類，定義了對 GPS 設備所提供服務的單一訪問點。又如 UIScreen.main 等。

2. 統(tǒng)一管理

   例如 FileManager.default、或常見的 MVC-N 模式中的 N（NetworkManager）等。

典型的創(chuàng)建單例的代碼如下：

這里，sharedInstance 是 type property，static 保證了它只初始化一次且線程安全。同時將 init 方法聲明為 private 保證了不能在類外創(chuàng)建該類的對象。

Abstract Factory

抽象工廠模式提供了用于創(chuàng)建一系列相互關聯(lián)的對象的接口，而無須指定它們具體的類。將客戶端和具體類型解耦。類圖如下

在 Cocoa Touch 中有個很重要的應用就是 Class Cluster（類簇）。它封裝了一系列私有具體子類，提供了一個公有抽象超類的接口。抽象超類聲明了一系列創(chuàng)建私有子類對象的方法，再根據(jù)不同的方法動態(tài)選擇合適的具體子類類型。

Class clusters in Cocoa can generate only objects whose storage of data can vary depending on circumstances.

在 Foundation 框架中，NSNumber、NSString、NSData、NSDictionary、NSSet 和 NSArray 以及它們的 mutable 版本都是基于類簇實現(xiàn)的。

拿 NSNumber 舉例來說，該抽象超類聲明了一系列創(chuàng)建對象的方法：

不同方法返回的對象可能屬于不同的私有子類，其具體類型對調用者不可見。

With class clusters there is a trade-off between simplicity and extensibility.

類簇簡化了類的接口，使得學習和使用類變得更容易。然而，自定義抽象超類的子類也變得復雜。

Structural

Decorator

用于動態(tài)地給對象增加一些額外的職責。這種方式比生成子類的實現(xiàn)更為靈活。類圖如下

裝飾通過包裝類的對象來擴展其行為，詮釋了設計原則：

Classes should be open to extension but closed to modification.

在 Cocoa Touch 中應用了這一設計原則的類例如 UIScrollView 和 UIDatePicker，它們是復合視圖，結合了其他類的簡單視圖對象并協(xié)調其交互。

另外，基于這一設計模式，有兩種典型的實現(xiàn)方式：

1. Category

   它是Objective-C語言的特性，可以動態(tài)向類或結構添加額外的方法，而無需子類化。運行時，通過這種方式添加的方法與類中定義的原始方法沒有任何差別。因此這種方式添加的方法也會被子類繼承。尤其好的一點是，它可以用于看不到源碼的類。需要注意的是：

   • 不能向類添加實例變量
   • 如果添加的方法覆蓋了類中已有的方法，運行時行為將不可預測

   Category 并沒有嚴格地實現(xiàn)裝飾模式，沒有包裝類的對象，也沒有動態(tài)擴展類而是一種編譯時的特性。它通過其他方式實現(xiàn)了裝飾模式的目的。

2. Delegation

   前文有介紹過，同樣地，它也不是裝飾模式的嚴格實現(xiàn)，沒有對類的對象進行包裝，而是讓類將一些指定行為動態(tài)交給類的 delegate 去完成。除了 delegation 定義的方法，沒有其他共享的接口。

Composite

組合模式將對象組合成樹形結構來表示「部分-整體」的層次結構，統(tǒng)一了訪問單個對象和組合對象的接口。

在 Cocoa Touch 中典型的應用就是 View Hierarchy：

view 可以添加其他 view 作為 subview，同時這些 subview 又可以作為其他 view 的 superview。每個 view 都只有一個 superview，可以有任意數(shù)量的 subview。這樣就形成了樹狀結構。這種結構的好處是方便遍歷：

• drawing

  當 window 需要顯示時，superview 會在 subview 之前進行 render。當有消息發(fā)送給 view，消息會進一步發(fā)送給 subview。這樣 view hierarchy 就可以當做一個整體的 view 來對待。

• event handling

  用于形成 responder chain 來處理各種事件，詳見 Chain of Responsibility 模式。

Proxy

用于控制對其他對象的訪問。

Cocoa Touch 中有個 NSProxy 類，用來作其他對象的代理。有多種用途：

• lazy instantiation

  proxy 對象作為占位符，實現(xiàn)昂貴資源的懶加載。例如 Mail app 中，較大的附件資源通常先顯示為占位符，當用戶點擊之后再去真正地下載附件。

• method forwarding

  proxy 對象將消息轉發(fā)給其代理的對象，可以用這種機制類似地實現(xiàn)多重繼承。

• sentry objects for security

  為了保證安全性，先由 proxy 對象檢查訪問權限。

Facade

外觀模式為子系統(tǒng)中的一組接口提供一個統(tǒng)一的高層接口，讓子系統(tǒng)更易于使用。

在 Cocoa Touch 中的一個例子是 UIImage，它提供了一個統(tǒng)一的接口來加載圖片，將圖片格式的細節(jié)隱藏起來。

Behavioral

Chain of Responsibility

責任鏈模式將多個對象連成一條鏈，并沿著這條鏈傳遞請求，直到有一個對象響應為止。使多個對象都有機會處理請求，從而避免請求的發(fā)送者和接收者之間發(fā)生耦合。

在 Cocoa Touch 中的典型應用是 responder chain（響應鏈）。下圖是含 label、button 等的例子及其默認的響應鏈：

當 app 接收了某種 event，UIKit 會自動將該 event 傳給 first responder。如果它不能處理 event，會把 event 發(fā)送給其 next responder。未處理的 event 會沿著響應鏈傳遞，直到某個 responder 可以處理為止。

細節(jié)可以參考官方文檔 Understanding Event Handling, Responders, and the Responder Chain。

Command

命令模式將一個請求封裝為一個對象，對請求排隊或者記錄請求日志，支持可撤銷的操作。它將提出請求的對象與接受并執(zhí)行請求的對象解耦。類圖如下

用 NSInvocation 類來封裝 Objective-C 的消息（也包括目標對象和參數(shù)等）。在 Cocoa Touch 中有兩個應用：

• Target-Action 機制

  在這種機制下，一個 control 對象（例如 button、slider 或 tex field 等）會向其 target 發(fā)送封裝好的 action 消息。target 接收后將對消息進行處理。

• NSUndoManager 類

  用于撤銷操作和恢復操作。它管理了一個撤銷棧和恢復棧，當命令執(zhí)行后，就將其 push 到撤銷棧。如果需要撤銷，則從撤銷棧中 pop 一個命令，并 push 到恢復棧。如果需要恢復，就從恢復棧中 pop 一個命令，再 push 到撤銷棧。兩個棧配合使用，可以方便地執(zhí)行撤銷和恢復操作。

Mediator

用一個對象（中介者）來封裝一系列對象的交互方式，使各對象不需要顯式地相互引用從而解耦，且可以獨立地改變它們之間的交互。

典型應用就是 MVC 模式中的 controller。在 Cocoa Touch 中，負責這一角色的是 UIViewController，來協(xié)調 model 和 view 的交互。 同樣地，對于多個 view controller，也有 UINavigationController 和 UITabBarController 來作為其中介者。

Memento

備忘錄模式用于保存數(shù)據(jù)和恢復數(shù)據(jù)。在不破壞封裝的前提下捕獲一個對象的內部狀態(tài)，并在該對象之外保存這個狀態(tài)，方便以后將該對象恢復到原先保存的狀態(tài)。類圖如下

在 Cocoa Touch 中的應用包括：

• State Restoration

  當 app 退出時，可以通過保存當前 state 以在下次打開該 app 時恢復到退出前的狀態(tài)。

• Archiving

  歸檔操作將對象類型及其屬性保存為一個歸檔文件，可以保存在文件系統(tǒng)中或進行網(wǎng)絡傳輸。通常需要對 MVC 中的 model 進行 encode 歸檔，再從該歸檔 decode 讀取 model。 可以分別利用 NSKeyedArchiver 和 NSKeyedUnarchiver，并遵從 NSCoding 協(xié)議。

參考文獻

最后，附上參考文獻：

1. 官方文檔 Cocoa Design Patterns
2. 設計模式的書（本文截圖出處）Pro Objective-C Design Patterns for iOS
3. 開源項目 Design-Patterns-In-Swift