C++ 设计模式与软件开发思想

设计模式与软件开发思想

设计模式与软件开发思想
- [1. 设计模式概述](#1. 设计模式概述)
- - [1.1 设计模式基本概念](#1.1 设计模式基本概念)
  - [1.2 设计模式中的抽象思维](#1.2 设计模式中的抽象思维)
  - [1.3 学习设计模式普遍存在的问题](#1.3 学习设计模式普遍存在的问题)
  - [1.4 设计模式的缺点](#1.4 设计模式的缺点)
  - [1.5 设计模式在实际工作中的应用和学习方法](#1.5 设计模式在实际工作中的应用和学习方法)
  - - 日常工作的小项目
    - 大型应用项目和框架类项目
  - [1.6 学习设计模式的态度、方法](#1.6 学习设计模式的态度、方法)
  - - 态度
    - 方法
  - 总结
- [2. 软件开发思想、设计模式分类与讲解规划](#2. 软件开发思想、设计模式分类与讲解规划)
- - [2.1 大型项目的软件开发思想](#2.1 大型项目的软件开发思想)
  - - [1. 基本思想](#1. 基本思想)
    - [2. 微服务架构设计模式与设计模式的区别](#2. 微服务架构设计模式与设计模式的区别)
  - [2.2 设计模式分类](#2.2 设计模式分类)
  - - [1. 行为型模式](#1. 行为型模式)
    - [2. 创建型模式](#2. 创建型模式)
    - [3. 结构型模式](#3. 结构型模式)
  - 结论

1. 设计模式概述

1.1 设计模式基本概念

模式，是事物的标准样式，或是针对特定问题的可重用解决方案。换句话说，遇到这类问题，用这种解决方法；遇到那类问题，用那种解决方法；遇到不同问题，用不同的解决方法------这就是模式。

下面是对设计模式(Design Pattern)的解释：

设计模式，是一套被反复使用的代码设计经验的总结，是经过提炼的出色的设计方法。
设计模式，是程序员在长期的开发实践中总结出的一套提高开发效率的编程方法。
设计模式，代表了一些解决常见问题的通用做法，体现着人们尝试解决某些问题时的智慧。所以，它是一种强大的管理复杂度的工具。
设计模式，是在特定问题发生时的可重用解决方案。
一个设计模式用来描述几个模块或类对象之间的关系、职责，以及它们之间如何进行分工与合作。一个甚至几个设计模式共同配合来解决软件设计中面对的实际问题。
设计模式在比编程语言惯用手法更高的层面来描述解决特定类型问题的途径。
设计模式用来描述在软件系统中如何通过管理代码的相互依赖性来管理复杂性。

使用设计模式的主要目的是在设计大型项目时，保证所设计的模块之间的代码灵活性和可复用性，但毫无疑问，这两特性都以增加复杂性作为代价。

灵活性（可扩展/低耦合性）
- 修改现有的某部分内容不会影响其他部分的内容（影响面尽可能窄或者说尽量将修改的代码集中在一起，不希望大范围修改代码）。
- 增加新内容的时候尽量少甚至不需要改动系统现有内容。
可复用性
- 可复用：可以重复使用，可以到处用（可以被很多地方调用）。

1.2 设计模式中的抽象思维

"耦合"和"解耦合"

耦合：两个模块相互依赖，修改其中的一个模块，则另一个也要修改，这两者之间存在相互影响关系就叫做两个模块之间存在耦合关系。
解耦合：通过修改程序代码，切断两个模块之间的依赖关系，使得对任意一个模块的更改都不会影响另外一个模块，这就叫做两个模块之间已经解耦合了。

抽象思维的概念

对于一个事物，所谓的抽象思维，是指能从这个事物中抽取或者说提炼出一些本质的、共性的内容，把这些共性的内容组合到一起（封装）。

从编程思维的角度来思考，解决问题的复杂性可以通过以下两种方法：

分解法：将复杂的事物分解成若干个相简单的部分，便于逐一处理。例如，在设计大型系统时，可以将系统划分为多个模块或服务，每个模块负责特定功能。
抽象法：从每个简单的事物中提炼出其本质内容，并将其封装。通过定义接口和抽象类，我们可以隐藏实现细节，提供清晰的使用方式，使得用户不必关心具体实现。

抽象思维的目的

减少代码重复性：通过抽象，可以将共用的逻辑和功能提取出来，避免在多个地方重复编写相同的代码。
方便代码扩展：抽象设计使得系统在面对新需求时，可以通过扩展现有模块或添加新模块，而不必进行大规模修改，减少了对现有代码的影响。
降低耦合度：通过定义清晰的接口和职责分离，可以降低模块间的耦合度，使得系统更加灵活和易于维护。

抽象思维的检验

单一职责原则：一个类应该只有一个引起它变化的原因。这意味着类应该具有明确的责任和功能。
开放封闭原则：软件实体应该是可扩展的，但是不可修改的。即可以通过添加新的代码来扩展功能，而不是修改现有的代码。
里氏替换原则：子类必须能够替换它们的基类。这意味着子类应该能够在不破坏程序正确性的前提下替换基类。
接口隔离原则：客户端不应该被迫依赖它不使用的方法。即一个类不应该被强制实现它不需要的接口。
依赖倒置原则：高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖于抽象。抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

1.3 学习设计模式普遍存在的问题

听得懂但不会用

许多开发者在学习设计模式时，能够理解模式的基本概念和原理，但当需要在实际项目中应用这些模式时，却不知道如何下手。这种情况通常源于缺乏实践经验或对具体场景的理解不够深入解决此问题的关键在于：

实践练习：通过实际项目或模拟场景来练习设计模式的应用。
案例研究：分析和学习其他项目中设计模式的具体应用案例。
逐步深入：从简单的模式开始，逐渐过渡到更复杂的模式，逐步积累经验。

学完了之后到处滥用

有些开发者在学习了设计模式之后，会倾向于在所有可能的地方应用设计模式，即使这些地方并不需要设计模式。对此，可以采取以下措施：

了解适用场景：明确每种设计模式的最佳适用场景。
适度使用：根据项目的实际需求选择合适的设计模式，避免过度设计。
持续评估：定期评估设计模式的应用效果，确保它们确实提高了代码的质量。

设计模式无用论

一些开发者认为设计模式过于理论化，对实际开发工作没有太大的帮助，甚至觉得设计模式增加了项目的复杂度。为了对抗这种无用论，可以：

理解价值：深入了解设计模式带来的好处，如提高代码的可维护性和可扩展性。
权衡利弊：在实际应用中权衡设计模式带来的好处与增加的复杂度之间的关系。
实践经验：通过实践来证明设计模式的有效性，积累个人的经验

1.4 设计模式的缺点

增加程序书写的复杂性

问题描述：遵从设计模式书写的程序代码往往与普通的程序代码不太一样，设计模式通常涉及到更多的类、接口和抽象层次，这可能会使得代码结构变得更加复杂，增加了理解和维护的难度。
解决方案：在适当的情况下使用设计模式，并确保团队成员都理解这些模式的目的和用法。同时，通过良好的文档和注释来辅助理解。

增加学习上和理解上的负担

问题描述：设计模式的概念较为抽象，对于初学者而言，理解和掌握设计模式需要一定的时间和精力。
解决方案：逐步学习设计模式，从简单的模式开始，逐渐过渡到更复杂的模式。通过实践项目来加深理解，并确保团队成员都有足够的培训和支持。

设计模式的引入会在一定程度上降低程序的运行效率

问题描述：某些设计模式可能会引入额外的运行时开销，尤其是在涉及大量对象创建或间接调用的情况下。
解决方案：评估设计模式对性能的影响，并在必要时采取优化措施。对于性能敏感的部分，可以考虑使用更直接的实现方式，或者采用其他技术手段来弥补性能损失。

1.5 设计模式在实际工作中的应用和学习方法

日常工作的小项目

适用性：在小型项目中，通常不需要过多的设计模式，因为这些项目往往功能简单，规模较小。
选择性应用：可以选择一些简单的设计模式，如单例模式、工厂模式等，用于解决特定问题。
注意点：避免过度设计，不要为了使用设计模式而使用设计模式。

大型应用项目和框架类项目

适用性：大型项目和框架类项目通常包含复杂的业务逻辑和大量的代码，设计模式在这里的作用尤为显著。
全面应用：可以广泛地使用各种设计模式，如MVC模式、观察者模式、策略模式等，来组织代码结构和管理复杂性。
注意事项：确保团队成员对设计模式有共同的理解，并且有良好的文档支持。

1.6 学习设计模式的态度、方法

态度

实用主义：设计模式是为了提高代码质量而存在的，不是为了设计模式本身。
适度原则：避免过度设计，只在必要时使用设计模式。
持续学习：设计模式是不断发展的，需要持续关注新的模式和技术。

方法

逐步学习：从简单的模式开始，逐渐过渡到更复杂的模式。
实践为主：通过实际项目或模拟场景来练习设计模式的应用。
案例研究：分析和学习其他项目中设计模式的具体应用案例。
团队讨论：与同事分享学习心得，讨论最佳实践。
定期回顾：定期评估设计模式的应用效果，确保它们确实提高了代码的质量。

总结

设计模式是提高代码质量和开发效率的重要工具。通过理解设计模式的基本概念、抽象思维的重要性、学习过程中可能遇到的问题以及设计模式的优缺点，可以帮助开发者更好地应用设计模式来解决实际问题。在实际工作中，根据项目的规模和复杂度选择合适的设计模式，并采取正确的学习态度和方法，是提高代码质量的关键。

2. 软件开发思想、设计模式分类与讲解规划

2.1 大型项目的软件开发思想

1. 基本思想

模块化：将大型项目拆分成小的、独立的模块，每个模块负责一部分功能，这样可以更容易地管理和维护代码。
松耦合：确保各个模块之间的依赖关系尽可能地减少，这样就可以独立地修改或扩展某个模块，而不影响其他模块。
可扩展性：设计时考虑到未来的需求变更，确保系统可以轻松地添加新功能或调整现有功能。
可维护性：编写易于理解和修改的代码，确保文档齐全，以便未来的维护人员能够快速上手。
复用性：尽可能多地利用已有的组件和服务，减少重复工作，提高开发效率。
安全性：在设计之初就要考虑安全因素，确保数据和系统的安全。
性能：考虑系统的性能需求，优化关键路径上的操作，确保系统的响应速度和资源利用率。
测试驱动开发 (TDD)：先编写测试用例再编写实现代码，确保代码质量。

2. 微服务架构设计模式与设计模式的区别

微服务架构：是一种架构风格，它提倡将单个应用程序开发为一组小型服务，每个服务运行在其自己的进程中，并通过轻量级机制（通常是HTTP资源API）进行通信。每个服务都是围绕业务功能构建的，并且可以独立部署。
设计模式：是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。设计模式并不是具体的代码，而是解决特定问题的模板。

区别:

范围：设计模式侧重于解决局部问题，而微服务架构则是一种整体的架构风格。
目的：设计模式旨在提高代码质量和可维护性，而微服务架构旨在提高系统的可伸缩性和可维护性。
应用：设计模式可以应用于任何类型的软件开发，而微服务架构主要应用于分布式系统和大型项目。

2.2 设计模式分类

1. 行为型模式

这种模式关注的是对象的行为或者交互方面的内容，主要设计算法和对象之间的职责分配。通过使用对象组合，行为模式可以描述一组对象应该如何协作来完成一个整体任务。

设计模式名称	说明
模板方法(Template Method)模式	定义了一个算法的骨架，并允许子类为一个或多个步骤提供具体的实现。
策略模式 (Strategy)	定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。
观察者模式 (Observer)	当对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。
命令模式 (Command)	将请求封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化。
迭代器模式 (Iterator Pattern)	提供一种方法来访问一个聚合对象的元素，而无需暴露该对象的内部表示。
状态模式 (State)	允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。
中介者模式 (Mediator)	用一个中介对象来封装一系列的对象交互。
备忘录模式 (Memento)	在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。
职责链模式 (Chain of Responsibility)	使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。
访问者模式 (Visitor)	表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。
解释器模式 (Interpreter)	给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。

2. 创建型模式

这种模式关注的是如何创建对象，其核心思想是把对象的创建和使用相分离（解耦）以取代传统对象创建方式可能导致的代码修改和维护上的问题。

设计模式名称	说明
简单工厂模式 (Simple Factory Pattern)	提供了一个静态方法来创建产品对象，而不需要暴露复杂的实现。
工厂方法模式 (Factory Method)	定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。
抽象工厂模式 (Abstract Factory)	提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们的具体类。
建造者模式 (Builder)	将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
原型模式 (Prototype)	用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。
单例模式 (Singleton)	确保一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

3. 结构型模式

这种模式关注的是对象之间的关系，主要涉及如何组合各种对象以便获得更加灵活的结构，例如，继承机制提供了最基本的子类扩展父类的功能，但结构模式不仅仅简单地使用继承，而是更多地通过各种关系组合以便获得更加灵活的程序结构，达到简化设计的目的。

设计模式名称	说明
装饰器模式 (Decorator)	动态地给一个对象添加一些额外的职责。
外观模式 (Facade)	为子系统中的一组接口提供一个一致的界面。
组合模式 (Composite)	将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。
享元模式 (Flyweight)	运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
代理模式 (Proxy)	为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
适配器模式 (Adapter)	将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。
桥接模式 (Bridge)	将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。

结论

设计模式和软件开发思想是构建高质量软件系统的关键组成部分。通过理解这些模式和思想，开发者可以更好地组织代码、提高系统的可维护性和可扩展性。在实际项目中，选择合适的设计模式并结合良好的软件开发思想，可以显著提升软件产品的质量。