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"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) 、理查德·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。
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。
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。
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"。GoE(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。
用于描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构,GoE(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。
统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)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。
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。
·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。
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
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
举个例子:
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。
methodl()方法:修饰符为private,没有参数,返回值类型为string。
mathod2()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。
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
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。
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。
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”。
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:
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:
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:
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。
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 所示。
在软件开发中,为了提高软件系统的可维护性和可复用性,增加软件的可扩展性和灵活性,程序员要尽量根据6条原则来开发程序,从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本。
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。
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。
下面以搜狗输入法的皮肤为例介绍开闭原则的应用。
【例】搜狗输入法]的皮肤设计。
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(DefaultSpecificskin和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。
里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。
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。
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。
下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子
【例】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,我们开发的一个与几何图形相关的软件系统,就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。
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。
下面看一个例子来理解依赖倒转原则
【例】组装电脑
现要组装一台电脑,需要配件cpu,硬盘,内存条。只有这些配置都有了,计算机才能正常的运行。选择cpu!有很多选择,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。
类图如下:
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。
下面看一个例子来理解接口隔离原则
[例]安全门案例
我们需要创建一个A品牌的安全门,该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火,防水,防盗功能提取成一个接口,形成一套规范。类图如下:
上面的设计我们发现了它存在的问题,A品牌的安全门具有防盗,防水,防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个B品牌的安全门,而该安全门只具有防盗、防水功能呢?很显然如果实现safetyDoor接口就违背了接口隔离原则,那么我们如何进行修改呢?看如下类图:
迪米特法则又叫最少知识原则。
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)。
其含义是: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。其目的是降低类之间的耦合度,提高模块的相对独立性。
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。
下面看一个例子来理解接口隔离原则
[例]明星与经纪人的关系实例
明星由于全身心投入艺术,所以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:
合成复用原则是指: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。
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。
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。
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。
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