从问题到解决方案：理解设计模式

软件开发中一个有趣的事实是，你几乎总是不是第一个遇到特定问题的人。这个问题可能自软件开发诞生之初就一直存在。在这篇博文中，我们将探讨设计模式、我们为什么需要它们，并对一些设计模式进行概述。

设计模式是一种系统性的方法，用于解决程序员经常遇到的问题。它描述了解决这些问题的通用标准。无论问​​题的具体领域是什么，它提供的解决方案都可以重复使用。因此，下次你遇到编程问题时，请注意，你不必从头开始重新寻找解决方案。

为什么要使用设计模式？

• 经验使人完美：作为开发人员，您必须首先了解现有的优秀设计、它们的应用领域和权衡，以便您可以重复使用它们或开发自己的设计。
• 共享设计语言：设计模式为程序员提供了通用的词汇表。这有助于有效地相互沟通，减少误解，提高生产力。
• 更好的可扩展性：设计模式有助于使系统更具可扩展性，使其能够随着需求的变化而增长和适应。
• 改进的代码结构：设计模式有助于以一致且有组织的方式构建代码，使其更易于理解和维护。这可以提高代码质量并缩短开发时间。

设计模式的元素

1. 名称- 是用来描述设计问题的句柄。它很有必要，因为它为程序员提供了共同的理解基础。
2. 问题——用于描述何时可以使用该模式。
3. 解决方案- 是一个描述元素及其关系但不提供实施细节的模板。
4. 后果- 用于描述模式的权衡。例如：时间和空间的权衡、灵活性、可扩展性等等。

设计模式的类型

《设计模式：可复用面向对象软件的要素》（俗称“四人帮”）是软件工程的基石，它将设计模式带入了主流。本书细分了 23 种不同的设计模式，分为以下 3 类：

1. 创造型——他们关注对象创建技术。
2. 结构性——它们关注以灵活有效的方式组合对象和类。
3. 行为- 它们关注类和对象之间的交互及其责任。

六种设计模式简介

以下部分将概述 6 种软件设计模式（每个类别 2 种）以及如何使用它们来解决常见的编程挑战。

1. 单例

单例模式是一种创建模式，它确保创建一个类的单个实例并提供对该实例的全局访问点。

原因：

假设您正在构建数据库连接类：

• 您肯定不想为每个需要访问的对象都创建一个单独的数据库实例。这样做成本很高。这个概念也适用于其他共享资源，例如文件。
• 您希望提供对该实例的全局且便捷的访问。与全局变量类似，单例模式允许您从程序中的任何位置访问对象。

如何：

实现单例模式的方法有很多种。然而，所有实现都遵循以下基本概念：

• 与每次调用都会创建新对象的常规构造函数不同，Singleton 类具有私有构造函数。私有构造函数可防止其他对象实例化 Singleton 类的对象。
• 私有实例变量。
• 返回该实例引用的静态方法。此静态方法本质上充当构造函数，并在底层调用私有构造函数来创建对象（首次请求时）或返回缓存的对象（用于后续请求）。

2.工厂方法

工厂方法也是另一种创建型模式，它提供了创建对象的接口，但由子类决定实例化哪个类。换句话说，子类可以更改要创建对象的类型。

原因：

假设您正在使用工厂方法设计模式创建一个日志框架，用于记录不同类型的消息，包括但不限于错误消息、警告消息和参考消息。在此用例中：

• 记录器可以提供用于创建不同类型消息的工厂方法。
• 使用此记录器的客户端代码不需要知道消息的具体实现，它只需要知道创建消息的接口。
• 您可以提供灵活性。如果对象创建过程发生变化（例如，添加了一个新类），则只需更新工厂方法。无需更改使用这些对象的客户端代码。

如何：

• 用对特定工厂方法的调用替换直接对象构造调用。
• 通过调用工厂方法来创建对象，而不是调用构造函数。

3. 适配器

适配器是一种结构设计模式，允许接口不兼容的对象协同工作。它位于客户端和客户端想要通信的接口之间的中间位置。

原因：

假设您正在按照适配器设计模式构建视频格式转换工具：

• 您的软件需要适配不同的视频格式，例如 MP4、AVI 和 FLV。它应该能够接收任何格式的视频并将其转换为所需的格式。目标和客户端之间的通信通过适配器进行。
• 如果将来您想要支持新格式，该模式会使它变得更容易，因为视频格式转换与特定的视频格式分离。

如何：

• 定义一个适配器类，将一个类（适配者）的不兼容接口转换为客户端期望的另一个接口（目标）。
• 使用此适配器与没有所需接口的其他类一起工作（重用）。

4. 装饰器

装饰器是另一种结构化设计模式，它允许你将新的行为附加到对象上，而不会影响同一类中其他对象的行为。虽然继承可以用来静态地改变对象的行为，但装饰器也可以用来动态地改变它。

原因：

假设您正在构建一个文本编辑器：

• 文本编辑器可以作为您的具体组件，而拼写检查器可以作为您的装饰器。
• 拼写检查器类应该具有与文本编辑器类相同的接口，以便可以用作装饰器。
• 拼写检查器类可以包装文本编辑器并为其添加拼写检查功能。这使得将来可以灵活地向编辑器添加新功能。

如何：

• 为组件和装饰器定义一个接口。
• 实现符合接口的具体组件和具体装饰器。
• 装饰器应该引用它们所装饰的组件，并委托组件执行基本行为。装饰器应该包含添加新行为的方法。
• 使用装饰器按所需顺序包装组件以附加附加行为。

注意：适配器为其主体提供了不同的接口。装饰器提供了增强的接口。

5.观察者

观察者是一种行为设计模式，它定义了对象之间的一对多依赖关系，以便当一个对象（称为主体）改变其状态时，其所有依赖者（称为观察者）都会自动收到通知并更新。

原因

假设您正在建立一个股票市场网站：

• 您可以使用观察者模式向用户更新最新的股票价格。
• 网站是主体，用户是观察者，每当股票价格发生变化时，网站都会通知用户。

如何

• 定义一个 Subject 对象。
• 定义观察者对象。观察者可以订阅或取消订阅事件流。
• 主体和观察者之间的关系不应该紧密耦合。
• 当主体的状态发生变化时，所有注册的观察者都会收到通知并进行更新。

6.策略

策略是另一种行为设计模式，它允许你定义一系列算法，封装每个算法，并使它们可以互换。它允许客户端在运行时选择算法的行为。

原因

假设您正在创建具有排序功能的软件：

• 可以在运行时选择排序算法（例如快速排序、插入排序或冒泡排序）并用于对项目集合进行排序。
• 排序策略可以轻松替换或修改，从而可以根据需要添加或删除功能

如何

• 创建一个定义常见行为的策略接口。
• 创建符合 Strategy 接口的具体策略类。每个具体策略都是算法的一个变体。
• 创建一个上下文类，定义对排序策略对象的引用。
• 上下文类应该有一个接受策略对象并调用所选策略的方法。

结论

总之，牢固掌握设计模式至关重要，特别是当你在软件工程领域取得进步时。

参考

https://www.amazon.com/gp/product/0201633612/

https://refactoring.guru/