网站建设玖首选金手指,wordpress total主题,重庆在线教育平台,网站建设 业务走下坡一、设计模式概念
1.1 软件设计模式的产生背景
设计模式最初并不是出现在软件设计中#xff0c;而是被用于建筑领域的设计中。
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#xff08;Christopher Alexander#x…一、设计模式概念
1.1 软件设计模式的产生背景
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。
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。
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 FourGoF著称。
1.2 软件设计模式的概念
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。
1.3 学习设计模式的必要性
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。
正确使用设计模式具有以下优点。
可以提高程序员的思维能力、编程能力和设计能力。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。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。
1.4 设计模式分类 创建型模式 用于描述“怎样创建对象”它的主要特点是“将对象的创建与使用分离”。GoF四人组书中提供了单例、原型、工厂方法、抽象工厂、建造者等 5 种创建型模式。 结构型模式 用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构GoF四人组书中提供了代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元、组合等 7 种结构型模式。 行为型模式 用于描述类或对象之间怎样相互协作共同完成单个对象无法单独完成的任务以及怎样分配职责。GoF四人组书中提供了模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录、解释器等 11 种行为型模式。
二、UML图
统一建模语言Unified Modeling LanguageUML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。
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。
2.2 类图的作用
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了人们对系统的理解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。
2.3 类图表示法
2.3.1 类的表示方式
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。 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 表示public -表示private #表示protected
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 举个栗子 上图Demo类定义了三个方法
method()方法修饰符为public没有参数没有返回值。method1()方法修饰符为private没有参数返回值类型为String。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。
2.3.2 类与类之间关系的表示方式
2.3.2.1 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。
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 从上图中我们很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。
在UML类图中双向关联用一个不带箭头的直线表示。上图中在Customer类中维护一个ListProduct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 自关联在UML类图中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”。
2.3.2.2 聚合关系
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。
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。
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 class University {private ListTeacher teas;
}
class Teacher {}2.3.2.3 组合关系
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。
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。
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 class Head {private Mouth mouth new Mouth();
}
class Mouth {}2.3.2.4 依赖关系
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。
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 class Driver {private name String;public void drive(Car car) {car.move();}
}
class Car {public void move(){}
}2.3.2.5 继承关系
继承泛化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。
在 UML 类图中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泛化关系。例如Student 类和 Teacher 类都是 Person 类的子类其类图如下图所示 2.3.2.6 实现关系
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。
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图 9 所示。 三、设计原则
1、单一职责原则
对类来说的即一个类应该只负责一项职责。例如我们以前使用 UserDao 、OrderDao… 一个类或者接口只负责一个职责。
2、接口隔离原则(Interface Segregation Principle)
客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。
举个栗子
比如B、D实现了 interface1并实现了 operation1~5 方法A类通过接口依赖于 B 类只使用了 1、2、3、4方法C类通过接口依赖于D类只使用了 1、4、5方法那么对于A来说 4、5 方法是完全没用的。对于C来说2、3方法是没有用的这就违反了 接口隔离原则 interface interface1{void operation1();void operation2();void operation3();void operation4();void operation5();
}class B implements interface1{Overridepublic void operation1() {System.out.println(B 实现了 operation1);}Overridepublic void operation2() {System.out.println(B 实现了 operation2);}Overridepublic void operation3() {System.out.println(B 实现了 operation3);}Overridepublic void operation4() {System.out.println(B 实现了 operation4);}Overridepublic void operation5() {System.out.println(B 实现了 operation5);}
}
class D implements interface1{Overridepublic void operation1() {System.out.println(D 实现了 operation1);}Overridepublic void operation2() {System.out.println(D 实现了 operation2);}Overridepublic void operation3() {System.out.println(D 实现了 operation3);}Overridepublic void operation4() {System.out.println(D 实现了 operation4);}Overridepublic void operation5() {System.out.println(D 实现了 operation5);}
}// A 依赖了 B但是只用到了方法 1、2、3
class A {public void depend(B b){b.operation1();b.operation2();b.operation3();}
}
// C 依赖了D但是只用到了方法 1、4、5
class C {public void depend(D d){d.operation1();d.operation4();d.operation5();}
}
对以上结构进行优化
类A通过接口Interface1依赖类B类C通过接口Interface1依赖类D如果接口Interface1对于类A和类C来说不是最小接口那么类B和类D必须去实现他们不需要的方法将接口Interface1拆分为独立的几个接口类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则 public class InitialSegregation {public static void main(String[] args) {}
}// 优化将接口隔离
interface interface1{void operation1();
}
interface interface2{void operation2();void operation3();
}
interface interface3{void operation4();void operation5();
}class B implements interface1,interface2{Overridepublic void operation1() {System.out.println(B 实现了 operation1);}Overridepublic void operation2() {System.out.println(B 实现了 operation2);}Overridepublic void operation3() {System.out.println(B 实现了 operation3);}
}class D implements interface1,interface3{Overridepublic void operation1() {System.out.println(D 实现了 operation1);}Overridepublic void operation4() {System.out.println(D 实现了 operation4);}Overridepublic void operation5() {System.out.println(D 实现了 operation5);}
}// A 依赖了 B
class A {public void depend(B b){b.operation1();b.operation2();b.operation3();}
}// C 依赖了D
class C {public void depend(D d){d.operation1();d.operation4();d.operation5();}
}
3、依赖倒置原则(Dependence Inversion Principle)
依赖倒置倒转原则是指 高层模块不应该依赖低层模块二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 依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程 依赖倒转原则是基于这样的设计理念相对于细节的多变性抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在java中抽象指的是接口或抽象类细节就是具体的实现类 使用接口或抽象类的目的是制定好规范而不涉及任何具体的操作把展现细节的任务交给他们的实现类去完成 总的来说一个实现类不应该依赖于具体的类而是依赖于抽象类或者接口。有利于扩展操作 举个例子
未遵循 依赖倒置 原则扩展操作非常麻烦。
public class InitialInversion {public static void main(String[] args) {Person person new Person();person.receive(new Email());}
}
class Email{public void getInfo(){System.out.println(电子邮件信息: hello!);}
}class WeiXin{public void getInfo(){System.out.println(微信消息: hello!);}
}
// 这种直接依赖与某个类的方式不利于扩展。
// 比如后续还想要接受微信、短信等消息。还需要额外增加类和方法
class Person {// 接受电子邮件消息public void receive(Email email){email.getInfo();}// 接受微信消息public void receiveToWeiXin(WeiXin weiXin){weiXin.getInfo();}
}优化之后将依赖于某个具体的类改成一个接口
public class ImproveInversion {public static void main(String[] args) {Person person new Person();person.receive(new Email());person.receive(new WeiXin());}
}interface IReceiver{public void getInfo();
}
class Email implements IReceiver{Overridepublic void getInfo(){System.out.println(电子邮件信息: hello!);}
}class WeiXin implements IReceiver{Overridepublic void getInfo(){System.out.println(微信消息: hello!);}
}class Person {// 接受消息: 不需要依赖与某个具体的类而是依赖于接口。public void receive(IReceiver receiver){receiver.getInfo();}}
依赖关系传递的三种方式 接口传递上面演示 构造方法传递 setter方式传递
class A {}class B {private A a;// 通过构造器传递依赖public B(A a) {this.a a;}
}class C {private A a;// 通过 setter 方法传递依赖public void setA(A a) {this.a a;}
}4、里式替换原则(Liskov Substitution Principle)
OO中的继承性的思考和说明
继承包含这样一层含义父类中凡是已经实现好的方法实际上是在设定规范和契约虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改就会对整个继承体系造成破坏继承在给程序设计带来便利的同时也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性程序的可移植性降低增加对象间的耦合性如果一个类被其他的类所继承则当这个类需要修改时必须考虑到所有的子类并且父类修改后所有涉及到子类的功能都有可能产生故障
举个例子
我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B无意中重写了父类的方法造成原有功能出现错误。在实际编程中我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能这样写起来虽然简单但整个继承体系的复用性会比较差。特别是运行多态比较频繁的时候
public class InitialLiskov {public static void main(String[] args) {A a new A();System.out.println(10 -2 a.fun1(10,2));System.out.println();B b new B();// 由于B类继承A类不小心将fun1进行了重写程序员有可能不知道对fun1造成了破坏。这时程序就会出现问题。// 原本fun1是减法破坏后成了加法System.out.println(11 -3 b.fun1(11,3));}
}class A {public int fun1(int a,int b) {return a -b;}
}class B extends A {// B继承了A如果不小心重写了A中的fun1方法这就有可能对A类中的方法带来了破坏public int fun1(int a, int b) {return ab;}public int fun2(int a,int b) {return fun1(a,b) 1;}
}里式替换原则介绍
里氏替换原则(Liskov Substitution Principle)在1988年由麻省理工学院的以为姓里的女士提出的。所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。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里氏替换原则告诉我们继承实际上让两个类耦合性增强了在适当的情况下可以通过聚合组合依赖 来解决问题。.
。
针对以上例子出现的情况如何解决呢
通用的做法是原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类原有的继承关系去掉采用依赖聚合组合等关系代替.
public class ImproveLiskov {public static void main(String[] args) {A a new A();System.out.println(10 -2 a.fun1(10,2));System.out.println();B b new B();// 由于 B 类没有继承A, 那么程序员就知道不能通过B对象调用A中的方法。而是通过 a 去调用。// 因此就不会出现功能被破坏的问题。System.out.println(11 -3 b.a.fun1(11,3));}
}// 取消A、B的继承关系抽取出一个基类
class Base {public int fun1(int a,int b) {return a -b;}
}
class A extends Base{}class B extends Base {// 通过组合关系使用A类A a new A();public int fun1(int a, int b) {return ab;}public int fun2(int a,int b) {return fun1(a,b) 1;}}5、开闭原则OCP 开闭原则Open Closed Principle是编程中最基础、最重要的设计原则 一个软件实体如类模块和函数应该对扩展开放(对提供方)对修改关闭(对使用方)。用抽象构建框架用实现扩展细节。 当软件需要变化时尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化而不是通过修改已有的代码来实现变化。 编程中遵循其它原则以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。
举个例子
public class initialOCP {public static void main(String[] args) {GraphicEditor graphicEditor new GraphicEditor();graphicEditor.drawCircle(new Circle());graphicEditor.drawRectangle(new Rectangle());}
}// 客户端【使用方】
class GraphicEditor {public void drawShape(Shape s) {if (s.m_type 1)drawRectangle(s);else if (s.m_type 2)drawCircle(s);}// 绘制长方形public void drawRectangle(Shape r) {System.out.println(矩形);}// 绘制圆形public void drawCircle(Shape r) {System.out.println(圆形);}
}// 图形类
class Shape {int m_type;
}// 长方形
class Rectangle extends Shape {Rectangle() {super.m_type 1;}
}// 圆形
class Circle extends Shape {Circle() {super.m_type 2;}
}以上这种方式的优点和缺点 优点是比较好理解简单易操作。 缺点是违反了设计模式的ocp原则对扩展开放【提供方】对修改关闭【使用方。即当我们给类增加新功能的时候尽量不修改代码或者尽可能少修改代码.
比如我们这时要新增加一个图形种类 三角形我们需要做如下修改修改的地方较多
public class initialOCP {public static void main(String[] args) {GraphicEditor graphicEditor new GraphicEditor();graphicEditor.drawCircle(new Circle());graphicEditor.drawRectangle(new Rectangle());graphicEditor.drawTriangle(new Triangle());}
}// 客户端【使用方】
class GraphicEditor {public void drawShape(Shape s) {if (s.m_type 1)drawRectangle(s);else if (s.m_type 2)drawCircle(s);else if (s.m_type 3)drawTriangle(s);}// 绘制长方形public void drawRectangle(Shape r) {System.out.println(矩形);}// 绘制圆形public void drawCircle(Shape r) {System.out.println(圆形);}// 新增加功能绘制三角形public void drawTriangle(Shape r) {System.out.println(三角形);}
}// 图形类
class Shape {int m_type;
}// 长方形
class Rectangle extends Shape {Rectangle() {super.m_type 1;}
}// 圆形
class Circle extends Shape {Circle() {super.m_type 2;}
}// 新增加功能三角形
class Triangle extends Shape {Triangle() {super.m_type 3;}
}利用OCP原则对以上代码进行优化
把创建Shape类做成抽象类并提供一个抽象的draw方法让子类去实现即可这样我们有新的图形种类时只需要让新的图形类继承Shape并实现draw方法即可
使用方的代码就不需要修 - 满足了开闭原则
public class ImproveOCP {public static void main(String[] args) {GraphicEditor graphicEditor new GraphicEditor();graphicEditor.shapeDraw(new Rectangle());graphicEditor.shapeDraw(new Circle());graphicEditor.shapeDraw(new Triangle());}
}// 客户端【使用方】
class GraphicEditor {public void shapeDraw(Shape s) {s.draw();}
}// 将 图形类 设计成一个抽象类
abstract class Shape {// 提供一个抽象方法abstract void draw();
}// 长方形
class Rectangle extends Shape {Overridevoid draw() {System.out.println(矩形);}
}// 圆形
class Circle extends Shape {Overridevoid draw() {System.out.println(圆形);}
}// 新增加功能三角形
class Triangle extends Shape {Overridevoid draw() {System.out.println(三角形);}
}6、迪米特法则(Demeter Principle) 一个对象应该对其他对象保持最少的了解 类与类关系越密切耦合度越大 迪米特法则(Demeter Principle)又叫最少知道原则即一个类对自己依赖的类知道的越少越好。也就是说对于被依赖的类不管多么复杂都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的public 方法不对外泄露任何信息 迪米特法则还有个更简单的定义只与直接的朋友通信
直接的朋友每个对象都会与其他对象有耦合关系只要两个对象之间有耦合关系我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多依赖关联组合聚合等。其中我们称出现成员变量方法参数方法返回值中的类为直接的朋友而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。
// B是A的直接朋友
class A {B b;public ListB m1(B b) {};
}
class B {public void m2(){// A 是 B非直接朋友A a new A();}
}举个例子
对于SchoolManager来说 CollegeManager、Employee是直接朋友类CollegeEmployee不是直接朋友类。违反了迪米特法则。
根据 迪米特法则应该避免出现这种非直接朋友的依赖
public class Demeter1 {public static void main(String[] args) {SchoolManager schoolManager new SchoolManager();schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());}
}// 学校员工类
class Employee {private String id;public void setId(String id) {this.id id;}public String getId() {return id;}
}// 学院员工类
class CollegeEmployee {private String id;public void setId(String id) {this.id id;}public String getId() {return id;}
}// 学院管理类
class CollegeManager {public ListCollegeEmployee getAllEmployee() {ListCollegeEmployee list new ArrayListCollegeEmployee();for (int i 0; i 10; i) {CollegeEmployee emp new CollegeEmployee();emp.setId(学院员工id i);list.add(emp);}return list;}
}// 学校管理类
class SchoolManager {public ListEmployee getAllEmployee() {ListEmployee list new ArrayListEmployee();for (int i 0; i 5; i) {Employee emp new Employee();emp.setId(学校员工id i);list.add(emp);}return list;}// TODO : CollegeManager、Employee是直接朋友类CollegeEmployee不是直接朋友类。违反了迪米特法则public void printAllEmployee(CollegeManager sub) {ListCollegeEmployee list1 sub.getAllEmployee();System.out.println(------------学院员工------------);for (CollegeEmployee e : list1) {System.out.println(e.getId());}ListEmployee list2 this.getAllEmployee();System.out.println(------------学校员工------------);for (Employee e : list2) {System.out.println(e.getId());}}
}根据迪米特法则优化
public class Demeter1 {public static void main(String[] args) {// TODO Auto-generated method stubSchoolManager schoolManager new SchoolManager();schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());}}class Employee {private String id;public void setId(String id) {this.id id;}public String getId() {return id;}
}class CollegeEmployee {private String id;public void setId(String id) {this.id id;}public String getId() {return id;}
}class CollegeManager {public ListCollegeEmployee getAllEmployee() {ListCollegeEmployee list new ArrayListCollegeEmployee();for (int i 0; i 10; i) {CollegeEmployee emp new CollegeEmployee();emp.setId(学院员工id i);list.add(emp);}return list;}// 各司其职在学院管理类中打印学院员工IDpublic void printEmployee(){ListCollegeEmployee list1 getAllEmployee();System.out.println(------------学院员工------------);for (CollegeEmployee e : list1) {System.out.println(e.getId());}}
}class SchoolManager {public ListEmployee getAllEmployee() {ListEmployee list new ArrayListEmployee();for (int i 0; i 5; i) {Employee emp new Employee();emp.setId(学校员工id i);list.add(emp);}return list;}void printAllEmployee(CollegeManager sub) {sub.printEmployee();ListEmployee list2 this.getAllEmployee();System.out.println(------------学校员工------------);for (Employee e : list2) {System.out.println(e.getId());}}
}
总结 迪米特法则的核心是降低类之间的耦合 但是注意由于每个类都减少了不必要的依赖因此迪米特法则只是要求降低类间(对象间)耦合关系 并不是要求完全没有依赖关系
7、合成复用原则Composite Reuse Principle
原则是尽量使用合成/聚合的方式而不是使用继承 三、设计原则核心思想 找出应用中可能需要变化之处把它们独立出来不要和那些不需要变化的代码混在一起。 针对接口编程而不是针对实现编程。 为了交互对象之间的松耦合设计而努力
