设计模式 - 创建型模式_原型模式_设计模式-创建型模式-原型模式

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创建型模式

创建型模式提供创建对象的机制， 能够提升已有代码的灵活性和可复⽤性。

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概述

原型模式主要解决的问题就是创建重复对象，⽽这部分 对象 内容本身⽐较复杂，⽣成过程可能从库或者RPC接⼝中获取数据的耗时较⻓，因此采⽤克隆的⽅式节省时间。

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Case

需要实现⼀个考试抽题的服务，因此在这⾥建造⼀个题库题⽬的场景类信息，⽤于创建； 选择题 、 问答题

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场景模拟⼯程

模拟了两个试卷题⽬的类； ChoiceQuestion (选择题)、 AnswerQuestion (问答题)。

【选择题】

/**
 * 单选题
 */
public class ChoiceQuestion {

    private String name;                 // 题目
    private Map<String, String> option;  // 选项；A、B、C、D
    private String key;                  // 答案；B

    public ChoiceQuestion() {
    }

    public ChoiceQuestion(String name, Map<String, String> option, String key) {
        this.name = name;
        this.option = option;
        this.key = key;
    }

    // set get 
}

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【问答题】

public class AnswerQuestion {

    private String name;  // 问题
    private String key;   // 答案

    public AnswerQuestion() {
    }

    public AnswerQuestion(String name, String key) {
        this.name = name;
        this.key = key;
    }

  // set get 
}

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Bad Impl

没有⼀个类解决不了的业务，只要你敢写

public class QuestionBankController {

    public String createPaper(String candidate, String number) {

        List<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();

        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "JAVA2 EE");
            put("B", "JAVA2 Card");
            put("C", "JAVA2 ME");
            put("D", "JAVA2 HE");
            put("E", "JAVA2 SE");
        }}, "D"));

        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
            put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
            put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
            put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来");
        }}, "A"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
            put("B", "变量不能以数字作为开头；");
            put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
            put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");
        }}, "B"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("以下()不是合法的标识符", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "STRING");
            put("B", "x3x;");
            put("C", "void");
            put("D", "de$f");
        }}, "C"));
        choiceQuestionList.add(new ChoiceQuestion("表达式(11+3*8)/4%3的值是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "31");
            put("B", "0");
            put("C", "1");
            put("D", "2");
        }}, "D"));

        List<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("什么床不能睡觉", "牙床"));
        answerQuestionList.add(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));

        // 输出结果
        StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\r\n" +
                "考号：" + number + "\r\n" +
                "--------------------------------------------\r\n" +
                "一、选择题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
            for (String key : option.keySet()) {
                detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\r\n");;
            }
            detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        detail.append("二、问答题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        return detail.toString();
    }

}

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• 这样的代码往往都⾮常易于理解，要什么程序就给什么代码，不⾯向对象，只⾯向过程。不考虑扩展性，能⽤就⾏。
• 以上的代码主要就三部分内容；⾸先创建选择题和问答题到集合中、定义详情字符串包装结果、返回结果内容。
• 但以上的代码有⼀个没有实现的地⽅就是不能乱序，所有⼈的试卷顺序都是⼀样的。如果需要加乱序也是可以的，但复杂度⼜会增加。这

【单元测试】
通过junit单元测试的⽅式验证接⼝服务，强调⽇常编写好单测可以更好的提⾼系统的健壮度。

    @Test
    public void test_QuestionBankController() {
        QuestionBankController questionBankController = new QuestionBankController();
        System.out.println(questionBankController.createPaper("花花", "1000001921032"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("豆豆", "1000001921051"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("大宝", "1000001921987"));
    }
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输出

考生：花花
考号：1000001921032
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


考生：豆豆
考号：1000001921051
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


考生：大宝
考号：1000001921987
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 EE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 ME
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 SE
答案：D

第2题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法必须写在类里面
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：A

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
B：变量不能以数字作为开头；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：不同类型的变量，可以起相同的名字；
答案：B

第4题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：x3x;
C：void
D：de$f
答案：C

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：31
B：0
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了


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• 是三位考试的试卷； 花花 、 ⾖⾖ 、 ⼤宝 ，每个⼈的试卷内容是⼀样的这没问题，但是三个⼈的题⽬以及选项顺序都是⼀样，就没有达到我们说希望的乱序要求。
• 以上这样的代码⾮常难扩展，随着题⽬的不断的增加以及乱序功能的补充，都会让这段代码变得越来越混乱。

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Better Impl （原型模式重构代码）

接下来使⽤原型模式来进⾏代码优化，也算是⼀次很⼩的重构。

原型模式主要解决的问题就是创建⼤量重复的类，⽽我们模拟的场景就需要给不同的⽤户都创建相同的试卷，但这些试卷的题⽬不便于每次都从库中获取，甚⾄有时候需要从远程的RPC中获取。这样都是⾮常耗时的，⽽且随着创建对象的增多将严重影响效率。

在原型模式中所需要的⾮常重要要的⼿段就是克隆，在需要⽤到克隆的类中都需要实现 implements Cloneable 接⼝

【⼯程结构】

【代码类关系】

• 题目类 ChoiceQuestion 、AnswerQuestion 被用在题库创建中
• 针对每一张试卷，都会复制。 复制完成后，将试卷的题目和答案混排，这里用到了工具类TopicRandomUtil
• 核心的题库类QuestionBank主要负责将各个题目进行组装，最终输出试卷。

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【原型模式模型结构】

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public class Topic {

    private Map<String, String> option;  // 选项；A、B、C、D
    private String key;           // 答案；B

    public Topic() {
    }

    public Topic(Map<String, String> option, String key) {
        this.option = option;
        this.key = key;
    }

   // set get 
   
}

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【题⽬选项乱序操作⼯具包】

public class TopicRandomUtil {

    /**
     * 乱序Map元素，记录对应答案key
     * @param option 题目
     * @param key    答案
     * @return Topic 乱序后 {A=c., B=d., C=a., D=b.}
     */
    static public Topic random(Map<String, String> option, String key) {
        Set<String> keySet = option.keySet();
        ArrayList<String> keyList = new ArrayList<String>(keySet);
        Collections.shuffle(keyList);
        HashMap<String, String> optionNew = new HashMap<String, String>();
        int idx = 0;
        String keyNew = "";
        for (String next : keySet) {
            String randomKey = keyList.get(idx++);
            if (key.equals(next)) {
                keyNew = randomKey;
            }
            optionNew.put(randomKey, option.get(next));
        }
        return new Topic(optionNew, keyNew);
    }

}

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将原有Map中的选型乱序操作， 也就是A的选项内容给B ， B的可能给C ，同时记录正确答案在处理后的位置信息

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【克隆对象处理类】

/**
 * 题库
 */
public class QuestionBank implements Cloneable {

    private String candidate; // 考生
    private String number;    // 考号

    private ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = new ArrayList<ChoiceQuestion>();
    private ArrayList<AnswerQuestion> answerQuestionList = new ArrayList<AnswerQuestion>();

    public QuestionBank append(ChoiceQuestion choiceQuestion) {
        choiceQuestionList.add(choiceQuestion);
        return this;
    }

    public QuestionBank append(AnswerQuestion answerQuestion) {
        answerQuestionList.add(answerQuestion);
        return this;
    }

    @Override
    public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBank = (QuestionBank) super.clone();
        questionBank.choiceQuestionList = (ArrayList<ChoiceQuestion>) choiceQuestionList.clone();
        questionBank.answerQuestionList = (ArrayList<AnswerQuestion>) answerQuestionList.clone();

        // 题目乱序
        Collections.shuffle(questionBank.choiceQuestionList);
        Collections.shuffle(questionBank.answerQuestionList);
        // 答案乱序
        ArrayList<ChoiceQuestion> choiceQuestionList = questionBank.choiceQuestionList;
        for (ChoiceQuestion question : choiceQuestionList) {
            Topic random = TopicRandomUtil.random(question.getOption(), question.getKey());
            question.setOption(random.getOption());
            question.setKey(random.getKey());
        }
        return questionBank;
    }

    public void setCandidate(String candidate) {
        this.candidate = candidate;
    }

    public void setNumber(String number) {
        this.number = number;
    }

    @Override
    public String toString() {

        StringBuilder detail = new StringBuilder("考生：" + candidate + "\r\n" +
                "考号：" + number + "\r\n" +
                "--------------------------------------------\r\n" +
                "一、选择题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < choiceQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(choiceQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            Map<String, String> option = choiceQuestionList.get(idx).getOption();
            for (String key : option.keySet()) {
                detail.append(key).append("：").append(option.get(key)).append("\r\n");;
            }
            detail.append("答案：").append(choiceQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        detail.append("二、问答题" + "\r\n\n");

        for (int idx = 0; idx < answerQuestionList.size(); idx++) {
            detail.append("第").append(idx + 1).append("题：").append(answerQuestionList.get(idx).getName()).append("\r\n");
            detail.append("答案：").append(answerQuestionList.get(idx).getKey()).append("\r\n\n");
        }

        return detail.toString();
    }

}

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这⾥的主要操作内容有三个，分别是:

• 两个 append() ，对各项题⽬的添加，有点像我们在建造者模式中使⽤的⽅式，添加装修物料
• clone() ，这⾥的核⼼操作就是对对象的复制，这⾥的复制不只是包括了本身，同时对两个集合也做了复制。只有这样的拷⻉才能确保在操作克隆对象的时候不影响原对象。
• 乱序操作，在 list 集合中有⼀个⽅法， Collections.shuffle ，可以将原有集合的顺序打乱，输出⼀个新的顺序。在这⾥我们使⽤此⽅法对题⽬进⾏乱序操作。

---

【初始化试卷数据】

/**
 * 题库管理类
 */
public class QuestionBankController {

    private QuestionBank questionBank = new QuestionBank();

    public QuestionBankController() {
        questionBank.append(new ChoiceQuestion("JAVA所定义的版本中不包括", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "JAVA2 EE");
            put("B", "JAVA2 Card");
            put("C", "JAVA2 ME");
            put("D", "JAVA2 HE");
            put("E", "JAVA2 SE");
        }}, "D")).append(new ChoiceQuestion("下列说法正确的是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "JAVA程序的main方法必须写在类里面");
            put("B", "JAVA程序中可以有多个main方法");
            put("C", "JAVA程序中类名必须与文件名一样");
            put("D", "JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来");
        }}, "A")).append(new ChoiceQuestion("变量命名规范说法正确的是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；");
            put("B", "变量不能以数字作为开头；");
            put("C", "A和a在java中是同一个变量；");
            put("D", "不同类型的变量，可以起相同的名字；");
        }}, "B")).append(new ChoiceQuestion("以下()不是合法的标识符", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "STRING");
            put("B", "x3x;");
            put("C", "void");
            put("D", "de$f");
        }}, "C")).append(new ChoiceQuestion("表达式(11+3*8)/4%3的值是", new HashMap<String, String>() {{
            put("A", "31");
            put("B", "0");
            put("C", "1");
            put("D", "2");
        }}, "D"))
                .append(new AnswerQuestion("小红马和小黑马生的小马几条腿", "4条腿"))
                .append(new AnswerQuestion("铁棒打头疼还是木棒打头疼", "头最疼"))
                .append(new AnswerQuestion("什么床不能睡觉", "牙床"))
                .append(new AnswerQuestion("为什么好马不吃回头草", "后面的草没了"));
    }

    public String createPaper(String candidate, String number) throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBank questionBankClone = (QuestionBank) questionBank.clone();
        questionBankClone.setCandidate(candidate);
        questionBankClone.setNumber(number);
        return questionBankClone.toString();
    }

}

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• 主要提供对试卷内容的模式初始化操作(所有考⽣试卷⼀样，题⽬顺序不⼀致)。
• 对外部提供创建试卷的⽅法，在创建的过程中使⽤的是克隆的⽅式； (QuestionBank)questionBank.clone(); 并最终返回试卷信息。

【单元测试】

   @Test
    public void test_QuestionBank() throws CloneNotSupportedException {
        QuestionBankController questionBankController = new QuestionBankController();
        System.out.println(questionBankController.createPaper("花花", "1000001921032"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("豆豆", "1000001921051"));
        System.out.println(questionBankController.createPaper("大宝", "1000001921987"));
    }
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考生：花花
考号：1000001921032
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：以下()不是合法的标识符
A：de$f
B：STRING
C：void
D：x3x;
答案：C

第2题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：1
B：0
C：31
D：2
答案：D

第3题：变量命名规范说法正确的是
A：A和a在java中是同一个变量；
B：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
C：不同类型的变量，可以起相同的名字；
D：变量不能以数字作为开头；
答案：D

第4题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 Card
B：JAVA2 EE
C：JAVA2 HE
D：JAVA2 SE
E：JAVA2 ME
答案：C

第5题：下列说法正确的是
A：JAVA程序中可以有多个main方法
B：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序的main方法必须写在类里面
答案：D

二、问答题

第1题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第2题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

第3题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第4题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼


考生：豆豆
考号：1000001921051
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 SE
B：JAVA2 Card
C：JAVA2 EE
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 ME
答案：D

第2题：以下()不是合法的标识符
A：STRING
B：void
C：de$f
D：x3x;
答案：B

第3题：下列说法正确的是
A：JAVA程序中类名必须与文件名一样
B：JAVA程序中可以有多个main方法
C：JAVA程序的main方法必须写在类里面
D：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
答案：C

第4题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：1
B：2
C：0
D：31
答案：B

第5题：变量命名规范说法正确的是
A：变量不能以数字作为开头；
B：不同类型的变量，可以起相同的名字；
C：A和a在java中是同一个变量；
D：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
答案：A

二、问答题

第1题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

第2题：什么床不能睡觉
答案：牙床

第3题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第4题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿


考生：大宝
考号：1000001921987
--------------------------------------------
一、选择题

第1题：下列说法正确的是
A：JAVA程序的main方法中如果只有一条语句，可以不用{}(大括号)括起来
B：JAVA程序的main方法必须写在类里面
C：JAVA程序中类名必须与文件名一样
D：JAVA程序中可以有多个main方法
答案：B

第2题：以下()不是合法的标识符
A：void
B：STRING
C：x3x;
D：de$f
答案：A

第3题：JAVA所定义的版本中不包括
A：JAVA2 ME
B：JAVA2 EE
C：JAVA2 SE
D：JAVA2 HE
E：JAVA2 Card
答案：D

第4题：变量命名规范说法正确的是
A：变量不能以数字作为开头；
B：变量由字母、下划线、数字、$符号随意组成；
C：不同类型的变量，可以起相同的名字；
D：A和a在java中是同一个变量；
答案：A

第5题：表达式(11+3*8)/4%3的值是
A：0
B：31
C：1
D：2
答案：D

二、问答题

第1题：为什么好马不吃回头草
答案：后面的草没了

第2题：小红马和小黑马生的小马几条腿
答案：4条腿

第3题：铁棒打头疼还是木棒打头疼
答案：头最疼

第4题：什么床不能睡觉
答案：牙床


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从以上的输出结果可以看到，每个⼈的题⽬和答案都是差异化的乱序的

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小结

• 以上的实际场景模拟了原型模式在开发中᯿构的作⽤，但是原型模式的使⽤频率确实不是很⾼。如果有⼀些特殊场景需要使⽤到，也可以按照此设计模式进⾏优化。

• 原型设计模式的优点包括；便于通过克隆⽅式创建复杂对象、也可以避免重复做初始化操作、不需要与类中所属的其他类耦合等。但也有⼀些缺点如果对象中包括了循环引⽤的克隆，以及类中深度使⽤对象的克隆，都会使此模式变得异常麻烦。

• 终究设计模式是⼀整套的思想，在不同的场景合理的运⽤可以提升整体的架构的质量。永远不要想着去硬凑设计模式，否则将会引起过渡设计，以及在承接业务反复变化的需求时造成浪费的开发和维护成本。