軟件設(shè)計(jì)模式及其使用

軟件設(shè)計(jì)模式及其使用軟件設(shè)計(jì)模式是一種被廣泛接受的軟件設(shè)計(jì)原則，它旨在提高軟件的可復(fù)用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，是在軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中解決實(shí)際問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和最佳實(shí)踐。在本文中，我將介紹最常用的十種軟件設(shè)計(jì)模式及其使用。

一、單例模式

單例模式保證一個(gè)類(lèi)只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，這個(gè)實(shí)例被所有的對(duì)象共享?？梢栽诙鄠€(gè)地方使用，這樣可以避免在多個(gè)地方重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象，提高了程序的性能。

使用場(chǎng)景：一般常用于系統(tǒng)全局狀態(tài)的管理和共享資源的訪問(wèn)，例如日志記錄、數(shù)據(jù)庫(kù)連接等。

二、工廠模式

工廠模式是一種將對(duì)象生產(chǎn)流程抽象出來(lái)的設(shè)計(jì)模式，它將生產(chǎn)過(guò)程與對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程分離開(kāi)來(lái)，工廠負(fù)責(zé)創(chuàng)建對(duì)象，并將對(duì)象返回給調(diào)用者。

使用場(chǎng)景：當(dāng)需要?jiǎng)?chuàng)建大量相似的對(duì)象時(shí)，可以使用工廠模式來(lái)統(tǒng)一管理。比如說(shuō)，我們?cè)趯?xiě)游戲時(shí)，需要?jiǎng)?chuàng)建大量的敵人對(duì)象，我們可以使用工廠模式來(lái)優(yōu)化代碼。

三、抽象工廠模式

抽象工廠模式是一種將共同特征相似的一組對(duì)象組成的家族作為一個(gè)單元進(jìn)行管理的模式，抽象工廠生產(chǎn)的對(duì)象一般都是有關(guān)聯(lián)或者相互依賴的對(duì)象。

使用場(chǎng)景：如果一個(gè)系統(tǒng)需要在不同的平臺(tái)或者不同的設(shè)備上執(zhí)行不同的操作，可以使用抽象工廠模式來(lái)處理這種情況。例如，一個(gè)游戲可以在PC，Android和iOS上運(yùn)行，我們可以使用抽象工廠模式來(lái)創(chuàng)建適合不同設(shè)備的敵人角色。

四、建造者模式

建造者模式是一種將復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)造過(guò)程和對(duì)象的表示分離開(kāi)來(lái)的模式，它將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)建過(guò)程分步進(jìn)行，使用相同的構(gòu)建過(guò)程，可以構(gòu)建不同的表示。

使用場(chǎng)景：適用于需要?jiǎng)?chuàng)建復(fù)雜對(duì)象的情況，例如一輛汽車(chē)或者一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)游戲，這些對(duì)象都是在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出來(lái)的。

五、原型模式

原型模式使用原型實(shí)例來(lái)指定要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象的類(lèi)型，然后通過(guò)復(fù)制這個(gè)原型來(lái)創(chuàng)建新的對(duì)象。

使用場(chǎng)景：當(dāng)創(chuàng)建對(duì)象給系統(tǒng)帶來(lái)比較大的開(kāi)銷(xiāo)時(shí)，可以使用原型模式來(lái)提高系統(tǒng)性能。例如，一個(gè)系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建大量復(fù)雜的對(duì)象，我們可以使用原型來(lái)避免反復(fù)創(chuàng)建相似的對(duì)象。

六、適配器模式

適配器模式是一種將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成另一個(gè)接口的模式，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的類(lèi)可以一起工作。

使用場(chǎng)景：當(dāng)系統(tǒng)需要與現(xiàn)有的一些類(lèi)或者第三方組件進(jìn)行交互時(shí)，可以使用適配器模式來(lái)適配不同接口。

七、裝飾器模式

裝飾器模式是一種動(dòng)態(tài)的將責(zé)任添加到對(duì)象上的模式。在不需要?jiǎng)?chuàng)建新的子類(lèi)的情況下，通過(guò)將對(duì)象包裝起來(lái)提供額外的行為。

使用場(chǎng)景：當(dāng)需要?jiǎng)討B(tài)地給一個(gè)對(duì)象添加額外的職責(zé)時(shí)，可以使用裝飾器模式。例如，我們需要為一個(gè)已有的計(jì)算器對(duì)象添加一個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果的功能，可以使用裝飾器模式在不改變已有對(duì)象的基礎(chǔ)上添加所需的功能。

八、代理模式

代理模式是一種為其他對(duì)象提供代理以控制對(duì)這個(gè)對(duì)象的訪問(wèn)的模式，代理對(duì)象在客戶端和目標(biāo)對(duì)象之間提供了一個(gè)中介，隱藏了目標(biāo)對(duì)象的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

使用場(chǎng)景：當(dāng)需要控制對(duì)某一對(duì)象的訪問(wèn)時(shí)，例如需要限制客戶端訪問(wèn)對(duì)象或者需要在訪問(wèn)時(shí)添加一些操作，可以使用代理模式。

九、觀察者模式

觀察者模式定義了一種一對(duì)多的依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，所有依賴它的對(duì)象都會(huì)收到通知并自動(dòng)更新。

使用場(chǎng)景：當(dāng)需要對(duì)某一對(duì)象的狀態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)控和處理時(shí)，我們可以使用觀察者模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

十、迭代器模式

迭代器模式是一種用于遍歷集合對(duì)象的模式，它提供了一種順序訪問(wèn)集合對(duì)象中各個(gè)元素的方法，而無(wú)需暴露集合的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

使用場(chǎng)景：當(dāng)需要遍歷一個(gè)聚合對(duì)象時(shí)，可以使用迭代器模式，例如我們需要遍歷一個(gè)已有的學(xué)生列表時(shí)。

總結(jié)

軟件設(shè)計(jì)模式是在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中解決問(wèn)題的最佳實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，它們結(jié)合了工程師在不同開(kāi)發(fā)場(chǎng)景下的經(jīng)驗(yàn)，通常會(huì)對(duì)軟件代碼產(chǎn)生積極影響，提高代碼的可復(fù)用性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。不同的設(shè)計(jì)模式可用于不同的場(chǎng)景，根據(jù)需要我們可以結(jié)合不同的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)更優(yōu)秀的軟件系統(tǒng)。對(duì)于軟件設(shè)計(jì)模式的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)，我們可以從以下幾個(gè)方面入手。

一、設(shè)計(jì)模式知名度和使用率

設(shè)計(jì)模式作為一種軟件設(shè)計(jì)范式，受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。根據(jù)TIOBE編程語(yǔ)言排名網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，目前最受歡迎的編程語(yǔ)言Java包含了23種設(shè)計(jì)模式。其他受歡迎的編程語(yǔ)言，例如C++、Python、JavaScript等，也都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)模式支持。這表明設(shè)計(jì)模式已經(jīng)成為了現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)中必不可少的一部分。

據(jù)GitHub上的開(kāi)源項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)，使用設(shè)計(jì)模式的項(xiàng)目數(shù)量也在逐年增長(zhǎng)。截至2021年初，GitHub上共有114,120個(gè)使用設(shè)計(jì)模式的開(kāi)源項(xiàng)目，相比2015年的63,098個(gè)項(xiàng)目數(shù)量增長(zhǎng)了80％。這再次說(shuō)明了在現(xiàn)代軟件開(kāi)發(fā)中，設(shè)計(jì)模式不斷發(fā)揮著重要的作用。

二、常用的設(shè)計(jì)模式

設(shè)計(jì)模式是一種通用的設(shè)計(jì)思路，但并不是所有的模式在實(shí)際開(kāi)發(fā)中都是必須的。下面是一些常用的設(shè)計(jì)模式：

1.單例模式：保證一個(gè)類(lèi)只能創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例，它常用于管理全局狀態(tài)或共享資源。

2.工廠模式：將對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程和使用過(guò)程分離，常用于創(chuàng)建大量相似的對(duì)象。

3.抽象工廠模式：是將一組有相互關(guān)系或相互依賴的對(duì)象組成一組工廠來(lái)管理，常用于多個(gè)類(lèi)之間協(xié)同工作。

4.建造者模式：將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)建過(guò)程分步進(jìn)行，常用于構(gòu)建大型的對(duì)象。

5.原型模式：使用原型實(shí)例來(lái)指定要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)象的類(lèi)型，然后通過(guò)復(fù)制這個(gè)原型來(lái)創(chuàng)建新的實(shí)例。

6.適配器模式：將一個(gè)類(lèi)的接口轉(zhuǎn)換成另一個(gè)接口，用于不同類(lèi)之間的溝通交流。

7.裝飾器模式：動(dòng)態(tài)地給對(duì)象添加額外的職責(zé)，常用于為已有對(duì)象添加新的功能，而不改變其結(jié)構(gòu)。

8.代理模式：為其他對(duì)象提供代理以控制對(duì)目標(biāo)對(duì)象的訪問(wèn)，常用于限制客戶端對(duì)對(duì)象的訪問(wèn)。

9.觀察者模式：定義對(duì)象之間的一對(duì)多依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其依賴對(duì)象會(huì)自動(dòng)更新。

10.迭代器模式：提供了一種順序訪問(wèn)集合對(duì)象中各個(gè)元素的方法，常用于遍歷一個(gè)聚合對(duì)象。

以上是比較常用的設(shè)計(jì)模式，也是應(yīng)用較為廣泛的。根據(jù)項(xiàng)目的需要，選擇適合的設(shè)計(jì)模式可以提高代碼的復(fù)用性和可維護(hù)性。

三、各模式的優(yōu)劣勢(shì)分析

每種設(shè)計(jì)模式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面是各模式的優(yōu)缺點(diǎn)分析：

1.單例模式

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省了系統(tǒng)資源，避免了重復(fù)創(chuàng)建對(duì)象。

缺點(diǎn)：可能會(huì)導(dǎo)致單例對(duì)象的并發(fā)訪問(wèn)問(wèn)題，并且單例對(duì)象的實(shí)例化和使用分離度較低。

2.工廠模式

優(yōu)點(diǎn)：解耦了對(duì)象的創(chuàng)建和使用過(guò)程，提高了代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

缺點(diǎn)：增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)的難度，并且需要定義新的工廠類(lèi)來(lái)生產(chǎn)不同的對(duì)象。

3.抽象工廠模式

優(yōu)點(diǎn)：將多個(gè)有關(guān)聯(lián)的對(duì)象組成一個(gè)家族，避免了對(duì)象之間的錯(cuò)誤依賴關(guān)系。

缺點(diǎn)：增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和代碼實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且擴(kuò)展新的產(chǎn)品線需要修改抽象工廠和具體工廠的代碼。

4.建造者模式

優(yōu)點(diǎn)：將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象分成多個(gè)簡(jiǎn)單部分進(jìn)行構(gòu)建，并將構(gòu)建過(guò)程和表示分離，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)展性。

缺點(diǎn)：增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且需要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多個(gè)建造者類(lèi)。

5.原型模式

優(yōu)點(diǎn)：避免了重復(fù)創(chuàng)建相似對(duì)象的開(kāi)銷(xiāo)，提高了系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性。

缺點(diǎn)：需要實(shí)現(xiàn)Cloneable接口，而且不支持構(gòu)造函數(shù)的傳參，對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的克隆可能會(huì)存在問(wèn)題。

6.適配器模式

優(yōu)點(diǎn)：提供了兩個(gè)不兼容接口之間的轉(zhuǎn)換，使得不同類(lèi)之間的交互更加靈活。

缺點(diǎn)：適配器增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且可能會(huì)出現(xiàn)新的適配器錯(cuò)誤，對(duì)于性能要求高的系統(tǒng)可能會(huì)影響性能。

7.裝飾器模式

優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)態(tài)地給對(duì)象添加額外的職責(zé)，不影響已有對(duì)象的基礎(chǔ)上添加新的功能，提高了代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

缺點(diǎn)：增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，并且可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)度包裝的情況，對(duì)于性能敏感的系統(tǒng)可能會(huì)影響性能。

8.代理模式

優(yōu)點(diǎn)：代理對(duì)象可以控制對(duì)目標(biāo)對(duì)象的訪問(wèn)，并且隱藏了目標(biāo)對(duì)象的內(nèi)部細(xì)節(jié)，提高了系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性。

缺點(diǎn)：代理對(duì)象的使用可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且在一些情況下可能會(huì)影響系統(tǒng)的性能。

9.觀察者模式

優(yōu)點(diǎn)：定義了對(duì)象之間的依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其依賴對(duì)象會(huì)自動(dòng)更新，減少了代碼耦合度。

缺點(diǎn)：遺漏一些更新通知會(huì)導(dǎo)致依賴對(duì)象不同步，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

10.迭代器模式

優(yōu)點(diǎn)：提供了一種順序訪問(wèn)集合對(duì)象中各個(gè)元素的方法，隱藏了集合內(nèi)部元素的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提高了代