23種設(shè)計(jì)模式
設(shè)計(jì)模式有兩種分類方法，即根據(jù)模式的目的來分和根據(jù)模式的作用的范圍來分。
1. 根據(jù)目的來分
根據(jù)模式是用來完成什么工作來劃分，這種方式可分為創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式和行為型模式 3 種。
- 創(chuàng)建型模式：用于描述“怎樣創(chuàng)建對象”，它的主要特點(diǎn)是“將對象的創(chuàng)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(chuàng)建型模式。
- 結(jié)構(gòu)型模式：用于描述如何將類或?qū)ο蟀茨撤N布局組成更大的結(jié)構(gòu)，GoF 中提供了代理、適配器、橋接、裝飾、外觀、享元、組合等 7 種結(jié)構(gòu)型模式。
- 行為型模式：用于描述類或?qū)ο笾g怎樣相互協(xié)作共同完成單個對象都無法單獨(dú)完成的任務(wù)，以及怎樣分配職責(zé)。GoF 中提供了模板方法、策略、命令、職責(zé)鏈、狀態(tài)、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。
2. 根據(jù)作用范圍來分
根據(jù)模式是主要用于類上還是主要用于對象上來分，這種方式可分為類模式和對象模式兩種。
- 類模式：用于處理類與子類之間的關(guān)系，這些關(guān)系通過繼承來建立，是靜態(tài)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、解釋器屬于該模式。
- 對象模式：用于處理對象之間的關(guān)系，這些關(guān)系可以通過組合或聚合來實(shí)現(xiàn)，在運(yùn)行時刻是可以變化的，更具動態(tài)性。GoF 中除了以上 4 種，其他的都是對象模式。
3. GoF的23種設(shè)計(jì)模式的功能
前面說明了 GoF 的 23 種設(shè)計(jì)模式的分類，現(xiàn)在對各個模式的功能進(jìn)行介紹。
- 單例（Singleton）模式：某個類只能生成一個實(shí)例，該類提供了一個全局訪問點(diǎn)供外部獲取該實(shí)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(jìn)行復(fù)制而克隆出多個和原型類似的新實(shí)例。
- 工廠方法（Factory Method）模式：定義一個用于創(chuàng)建產(chǎn)品的接口，由子類決定生產(chǎn)什么產(chǎn)品。
- 抽象工廠（AbstractFactory）模式：提供一個創(chuàng)建產(chǎn)品族的接口，其每個子類可以生產(chǎn)一系列相關(guān)的產(chǎn)品。
- 建造者（Builder）模式：將一個復(fù)雜對象分解成多個相對簡單的部分，然后根據(jù)不同需要分別創(chuàng)建它們，最后構(gòu)建成該復(fù)雜對象。
- 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(qiáng)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(zhuǎn)換成客戶希望的另外一個接口，使得原本由于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(shí)現(xiàn)分離，使它們可以獨(dú)立變化。它是用組合關(guān)系代替繼承關(guān)系來實(shí)現(xiàn)，從而降低了抽象和實(shí)現(xiàn)這兩個可變維度的耦合度。
- 裝飾（Decorator）模式：動態(tài)的給對象增加一些職責(zé)，即增加其額外的功能。
- 外觀（Facade）模式：為多個復(fù)雜的子系統(tǒng)提供一個一致的接口，使這些子系統(tǒng)更加容易被訪問。
- 享元（Flyweight）模式：運(yùn)用共享技術(shù)來有效地支持大量細(xì)粒度對象的復(fù)用。
- 組合（Composite）模式：將對象組合成樹狀層次結(jié)構(gòu)，使用戶對單個對象和組合對象具有一致的訪問性。
- 模板方法（TemplateMethod）模式：定義一個操作中的算法骨架，而將算法的一些步驟延遲到子類中，使得子類可以不改變該算法結(jié)構(gòu)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，并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(fā)出請求的責(zé)任和執(zhí)行請求的責(zé)任分割開。
- 職責(zé)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(yīng)為止。通過這種方式去除對象之間的耦合。
- 狀態(tài)（State）模式：允許一個對象在其內(nèi)部狀態(tài)發(fā)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(guān)系，當(dāng)一個對象發(fā)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(guān)系，降低系統(tǒng)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(shù)據(jù)，而不暴露聚合對象的內(nèi)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，獲取并保存一個對象的內(nèi)部狀態(tài)，以便以后恢復(fù)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。
必須指出，這 23 種設(shè)計(jì)模式不是孤立存在的，很多模式之間存在一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在大的系統(tǒng)開發(fā)中常常同時使用多種設(shè)計(jì)模式，希望讀者認(rèn)真學(xué)好它們。
UML中的類圖及類圖之間的關(guān)系
類、接口和類圖
1. 類
類（Class）是指具有相同屬性、方法和關(guān)系的對象的抽象，它封裝了數(shù)據(jù)和行為，是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（OOP）的基礎(chǔ)，具有封裝性、繼承性和多態(tài)性等三大特性。在 UML 中，類使用包含類名、屬性和操作且?guī)в蟹指艟€的矩形來表示。
(1) 類名（Name）是一個字符串，例如，Student。
(2) 屬性（Attribute）是指類的特性，即類的成員變量。UML 按以下格式表示：
[可見性]屬性名:類型[=默認(rèn)值]
例如：-name:String
注意：“可見性”表示該屬性對類外的元素是否可見，包括公有（Public）、私有（Private）、受保護(hù)（Protected）和朋友（Friendly）4 種，在類圖中分別用符號+、-、#、~表示。
(3) 操作（Operations）是類的任意一個實(shí)例對象都可以使用的行為，是類的成員方法。UML 按以下格式表示：
[可見性]名稱(參數(shù)列表)[:返回類型]
例如：+display():void。
圖 1 所示是學(xué)生類的 UML 表示。
2. 接口
接口（Interface）是一種特殊的類，它具有類的結(jié)構(gòu)但不可被實(shí)例化，只可以被子類實(shí)現(xiàn)。它包含抽象操作，但不包含屬性。它描述了類或組件對外可見的動作。在 UML 中，接口使用一個帶有名稱的小圓圈來進(jìn)行表示。
圖 2 所示是圖形類接口的 UMDL 表示。
3. 類圖
類圖（ClassDiagram）是用來顯示系統(tǒng)中的類、接口、協(xié)作以及它們之間的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和關(guān)系的一種靜態(tài)模型。它主要用于描述軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，幫助人們簡化對軟件系統(tǒng)的理解，它是系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段的重要產(chǎn)物，也是系統(tǒng)編碼與測試的重要模型依據(jù)。
類圖中的類可以通過某種編程 語言直接實(shí)現(xiàn)。類圖在軟件系統(tǒng)開發(fā)的整個生命周期都是有效的，它是面向?qū)ο笙到y(tǒng)的建模中最常見的圖。圖 3 所示是“計(jì)算長方形和圓形的周長與面積”的類圖，圖形接口有計(jì)算面積和周長的抽象方法，長方形和圓形實(shí)現(xiàn)這兩個方法供訪問類調(diào)用。
類之間的關(guān)系
在軟件系統(tǒng)中，類不是孤立存在的，類與類之間存在各種關(guān)系。根據(jù)類與類之間的耦合度從弱到強(qiáng)排列，UML 中的類圖有以下幾種關(guān)系：依賴關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系、聚合關(guān)系、組合關(guān)系、泛化關(guān)系和實(shí)現(xiàn)關(guān)系。其中泛化和實(shí)現(xiàn)的耦合度相等，它們是最強(qiáng)的。
1. 依賴關(guān)系
依賴（Dependency）關(guān)系是一種使用關(guān)系，它是對象之間耦合度最弱的一種關(guān)聯(lián)方式，是臨時性的關(guān)聯(lián)。在代碼中，某個類的方法通過局部變量、方法的參數(shù)或者對靜態(tài)方法的調(diào)用來訪問另一個類（被依賴類）中的某些方法來完成一些職責(zé)。
在 UML 類圖中，依賴關(guān)系使用帶箭頭的虛線來表示，箭頭從使用類指向被依賴的類。圖 4 所示是人與手機(jī)的關(guān)系圖，人通過手機(jī)的語音傳送方法打電話。
2. 關(guān)聯(lián)關(guān)系
關(guān)聯(lián)（Association）關(guān)系是對象之間的一種引用關(guān)系，用于表示一類對象與另一類對象之間的聯(lián)系，如老師和學(xué)生、師傅和徒弟、丈夫和妻子等。關(guān)聯(lián)關(guān)系是類與類之間最常用的一種關(guān)系，分為一般關(guān)聯(lián)關(guān)系、聚合關(guān)系和組合關(guān)系。我們先介紹一般關(guān)聯(lián)。
關(guān)聯(lián)可以是雙向的，也可以是單向的。在 UML 類圖中，雙向的關(guān)聯(lián)可以用帶兩個箭頭或者沒有箭頭的實(shí)線來表示，單向的關(guān)聯(lián)用帶一個箭頭的實(shí)線來表示，箭頭從使用類指向被關(guān)聯(lián)的類。也可以在關(guān)聯(lián)線的兩端標(biāo)注角色名，代表兩種不同的角色。
在代碼中通常將一個類的對象作為另一個類的成員變量來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)關(guān)系。圖 5 所示是老師和學(xué)生的關(guān)系圖，每個老師可以教多個學(xué)生，每個學(xué)生也可向多個老師學(xué)，他們是雙向關(guān)聯(lián)。
3. 聚合關(guān)系
聚合（Aggregation）關(guān)系是關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種，是強(qiáng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，是整體和部分之間的關(guān)系，是 has-a 的關(guān)系。
聚合關(guān)系也是通過成員對象來實(shí)現(xiàn)的，其中成員對象是整體對象的一部分，但是成員對象可以脫離整體對象而獨(dú)立存在。例如，學(xué)校與老師的關(guān)系，學(xué)校包含老師，但如果學(xué)校停辦了，老師依然存在。
在 UML 類圖中，聚合關(guān)系可以用帶空心菱形的實(shí)線來表示，菱形指向整體。圖 6 所示是大學(xué)和教師的關(guān)系圖。
4.組合關(guān)系
組合（Composition）關(guān)系也是關(guān)聯(lián)關(guān)系的一種，也表示類之間的整體與部分的關(guān)系，但它是一種更強(qiáng)烈的聚合關(guān)系，是 cxmtains-a 關(guān)系。
在組合關(guān)系中，整體對象可以控制部分對象的生命周期，一旦整體對象不存在，部分對象也將不存在，部分對象不能脫離整體對象而存在。例如，頭和嘴的關(guān)系，沒有了頭，嘴也就不存在了。
在 UML 類圖中，組合關(guān)系用帶實(shí)心菱形的實(shí)線來表示，菱形指向整體。圖 7 所示是頭和嘴的關(guān)系圖。
5.泛化關(guān)系
泛化（Generalization）關(guān)系是對象之間耦合度最大的一種關(guān)系，表示一般與特殊的關(guān)系，是父類與子類之間的關(guān)系，是一種繼承關(guān)系，是 is-a 的關(guān)系。
在 UML 類圖中，泛化關(guān)系用帶空心三角箭頭的實(shí)線來表示，箭頭從子類指向父類。在代碼實(shí)現(xiàn)時，使用面向?qū)ο蟮睦^承機(jī)制來實(shí)現(xiàn)泛化關(guān)系。例如，Student 類和 Teacher 類都是 Person 類的子類，其類圖如圖 8 所示。
6.實(shí)現(xiàn)關(guān)系
實(shí)現(xiàn)（Realization）關(guān)系是接口與實(shí)現(xiàn)類之間的關(guān)系。在這種關(guān)系中，類實(shí)現(xiàn)了接口，類中的操作實(shí)現(xiàn)了接口中所聲明的所有的抽象操作。
在 UML 類圖中，實(shí)現(xiàn)關(guān)系使用帶空心三角箭頭的虛線來表示，箭頭從實(shí)現(xiàn)類指向接口。例如，汽車和船實(shí)現(xiàn)了交通工具，其類圖如圖 9 所示。
