Java设计模式 —— Java七大设计原则详解

重生之绝世牛码2024-11-19 19:12

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前言

编写软件过程中，程序员面临着来自耦合性，内聚性以及可维护性，可扩展性，重用性，灵活性等多方面的挑战，设计模式是为了让程序(软件)，具有更好的

  1. 代码重用性 (即：相同功能的代码，不用多次编写)
  2. 可读性 (即：编程规范性，便于其他程序员的阅读和理解)
  3. 可扩展性 (即：当需要增加新的功能时，非常的方便，称为可维护)
  4. 可靠性 (即：当我们增加新的功能后，对原来的功能没有影响)
  5. 使程序呈现高内聚 ，低耦合的特性

由此才一步步发展出了设计模式，而设计模式又遵循着以下七大原则：

缩写 名称 定义
SRP 单一职责原则 一个类只负责一个功能领域中的相应职责
ISP 接口隔离原则 类之间的依赖关系应该建立在最小接口上
DIP 依赖倒转(倒置)原则 依赖于抽象，不能依赖于具体实现
LSP 里氏替换原则 所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类对象
OCP 开闭原则 对扩展开放，对修改关闭
LOD 迪米特法则 一个软件实体应当尽可能少的与其他实体发生相互作用
CARP 合成/聚合复用原则 尽量使用合成/聚合，而不是通过继承达到复用的目的

一、单一职责原则

1、概述

单一职责原则：

对类来说的，即一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同职责：职责1，职责2。当职责1需求变更而改变A时，可能造成职责2执行错误，所以需要将类A的粒度分解为A1，A2。

注意事项和细节：

  1. 降低类的复杂度，一个类只负责一项职责。
  2. 提高类的可读性，可维护性
  3. 降低变更引起的风险
  4. 通常情况下，我们应当遵守类的单一职责原则，只有逻辑足够简单，才可以在代码级违反单一职责原则；（只有类中方法数量足够少，可以在方法级别保持单一职责原则）

2、案例演示

错误演示：

java 复制代码 
//交通工具类
public class Vehicle{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + " 在公路上运行");
    }
}

在上述代码中，不同类型的交通工具（海陆空），是现在同一个run方法中，这就违反了单一职责原则，如果其中某一类型交通工具的交通方式发生变更，其他的交通工具也会相应受到影响。

优化：

java 复制代码 
//陆地交通工具
public class RoadVehicle{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + " 在公路上运行");
    }
}
//空中交通工具
public class AirVehicle{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + " 在天空上运行");
    }
}
//水中交通工具
public class WaterVehicle{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle + " 在水中运行");
    }
}

在上述代码中，将类分解，在不同的类中实现不同的功能，这样即使其中一种发生变更，也不会影响到其他类的运行。

二、接口隔离原则

1、概述

接口隔离原则：

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

2、案例演示

错误演示：

抽象接口：

java 复制代码 
public interface Interface1 {
    void operation1();
    void operation2();
    void operation3();
    void operation4();
    void operation5();
}

接口实现类B，D：

java 复制代码 
//B 实现接口1 并重写所有方法
public class B implements Interface1 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B 实现了 operation1");
    }
    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B 实现了 operation2");
    }
    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B 实现了 operation3");
    }
    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("B 实现了 operation4");
    }
    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("B 实现了 operation5");
    }
}
java 复制代码 
//D 实现接口1 并重写所有方法
public class D implements Interface1 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D 实现了 operation1");
    }
    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("D 实现了 operation2");
    }
    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("D 实现了 operation3");
    }
    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D 实现了 operation4");
    }
    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D 实现了 operation5");
    }
}

使用类：

java 复制代码 
//A 类通过接口 Interface1 依赖(使用)B类, 但是只会用到 1, 2, 3 方法
public class A {
    public void depend1(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation1();
    }
    public void depend2(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation2();
    }
    public void depend3(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation3();
    }
}
java 复制代码 
//C 类通过接口 Interface1 依赖(使用)D类, 但是只会用到 1, 4, 5 方法
public class C {
    public void depend1(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation1();
    }
    public void depend4(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation4();
    }
    public void depend5(Interface1 myInterface){
        myInterface.operation5();
    }
}

上述代码的UML图为：

类A通过接口Interface1依赖类B，类C通过接口Interface1依赖类D，如果接口Interface1对于类A和类C来说不是最小接口，那么类B和类D必须去实现他们不需要的方法。

按隔离原则应当这样处理：将接口Interface1拆分为独立的几个接口，类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。案例如下：

优化：

抽象接口：

java 复制代码 
//接口1
public interface Interface1 {
    void operation1();
}
java 复制代码 
//接口2
public interface Interface2 {
    void operation2();
    void operation3();
}
java 复制代码 
//接口3
public interface Interface3 {
    void operation4();
    void operation5();
}

接口实现类B，D：

java 复制代码 
//B 实现接口1，2 并重写方法1,2,3
public class B implements Interface1, Interface2 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B 实现了 operation1");
    }
    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B 实现了 operation2");
    }
    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B 实现了 operation3");
    }
}
java 复制代码 
//D 实现接口1，3 并重写方法1,4,5
public class D implements Interface1, Interface3 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D 实现了 operation1");
    }
    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D 实现了 operation4");
    }
    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D 实现了 operation5");
    }
}

UML图如下：

三、依赖倒转原则

1、概述

依赖倒转原则：

  1. 高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象
  2. 抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象
  3. 依赖倒转(倒置)的中心思想是面向接口编程
  4. 依赖倒转原则是基于这样的设计理念：相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。
  5. 使用接口或抽象类的目的是制定好规范，而不涉及任何具体的操作，把展现细节的任务交给他们的实现类去完成

2、案例演示

错误演示：

发信息者：

java 复制代码 
//发信息者
public class Person {
    //接收电子邮件
    public void receive(Email email){
        System.out.println(email.getInfo());
    }
}

电子邮件：

java 复制代码 
//电子邮件
public class Email {
    public String getInfo(){
        return "电子邮件信息: Hello World";
    }
}

上述代码指定了只能发送Email信息，如果我们获取的对象是微信，短信等等，则新增实现类，同时 Perons 也要增加相应的接收方法，

解决思路：引入一个抽象的接口 IReceiver, 表示接收者,这样 Person 类与接口 IReceiver 发生依赖

优化：

信息接口：

java 复制代码 
//信息接口
public interface IReceiver {
    String getInfo();
}

发信息者：

java 复制代码 
//发信息者
public class Person {
    //依赖抽象化，传入对象是IReceiver实现即可
    public void receive(IReceiver receiver){
        System.out.println(receiver.getInfo());
    }
}

信息类：

java 复制代码 
//Email信息
public class Email implements IReceiver{
    public String getInfo(){
        return "电子邮件信息: Hello World";
    }
}
java 复制代码 
//WeiXin信息
public class WeiXin implements IReceiver{
    public String getInfo(){
        return "微信信息: Hello World";
    }
}

在上述代码中，要想接收别的信息，只需增加具体实现类即可，一般情况下抽象的变化概率很小，让用户程序依赖于抽象，实现的细节也依赖于抽象。即使实现细节不断变动，只要抽象不变，客户程序就不需要变化。这大大降低了客户程序与实现细节的耦合度。

四、里氏替换原则

1、概述

里氏替换原则：

  1. 继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法，实际上是在设定规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约，但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。
  2. 继承在给程序设计带来便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低，增加对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障。
  3. 继承实际上让两个类耦合性增强了，在适当的情况下，可以通过聚合、组合、依赖来解决问题。

2、案例演示

错误演示：

父类A：

java 复制代码 
public class A {
    //返回两个数的差
    public int func1(int a, int b){
        return a - b;
    }
}

子类B：

java 复制代码 
//增加了一个新功能:完成两个数相加,然后和9求和
public class B extends A {
    //修改父类方法
    @Override
    public int func1(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public int func2(int a, int b){
        return func1(a, b) + 9;
    }
}

客户端：

java 复制代码 
public class Demo4_1 {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));//11-3=8
        System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));//1-8=-7

        A b = new B();
        System.out.println("1-8=" + b.func1(1, 8));//1-8=9 因子类重写父类方法导致错误
    }
}

（1）我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B无意中重写了父类的方法，造成原有功能出现错误，在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能，这样写起来虽然简单，但整个继承体系的复用性会比较差。特别是运行多态比较频繁的时候。

（2）通用的做法是：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖，聚合，组合等关系代替。

优化：

基类(公共抽象类)：

java 复制代码 
public class Base {
    //把更加基础的方法和成员写到 Base类
}

类A：

java 复制代码 
public class A extends Base{
    public int func1(int a, int b){
        return a - b;
    }
}

类B：

java 复制代码 
public class B extends Base {
    //如果 B 需要使用 A 类的方法,使用组合关系
    private A a = new A();
    public int func1(int a, int b) {
        return a + b;
    }
    public int func2(int a, int b){
        return func1(a, b) + 9;
    }
    //仍想继续使用A的方法
    public int func3(int a, int b){
        return this.a.func1(a, b);
    }
}

客户端：

java 复制代码 
public class Demo4_2 {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));//11-3=8
        System.out.println("1-8=" + a.func1(1, 8));//1-8=-7

        B b = new B();
        System.out.println("1+8=" + b.func1(1, 8));//1+8=9
        System.out.println("1+8+9=" + b.func2(1, 8));//1+8+9=18
        System.out.println("1-8=" + b.func3(1, 8));//1-8=-7
    }
}

五、开闭原则

1、概述

开闭原则：

  1. 开闭原则（Open Closed Principle）是编程中最基础、最重要的设计原则；
  2. 一个软件实体如类，模块和函数应该对扩展开放(对提供方)，对修改关闭(对使用方)。用抽象构建框架，用实现扩展细节；
  3. 当软件需要变化时，尽量通过扩展 软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化；
  4. 编程中遵循其它原则，以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。

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。

2、案例演示

错误演示：

图形基类：

java 复制代码 
public class Shape {
    int type;
}

图形类：

java 复制代码 
public class Rectangle extends Shape {
    Rectangle() {
        type = 1;
    }
}
java 复制代码 
public class Circle extends Shape {
    Circle() {
        type = 2;
    }
}
java 复制代码 
public class Triangle extends Shape {
    Triangle() {
        type = 3;
    }
}

画图工具：

java 复制代码 
//画图工具
public class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape shape){
        if (shape.type == 1){
            drawRectangle();
        }else if (shape.type == 2){
            drawCircle();
        }else if (shape.type == 3){
            drawTriangle();
        }
    }
    private void drawRectangle(){
        System.out.println("绘制矩形");
    }
    private void drawCircle(){
        System.out.println("绘制圆形");
    }
    private void drawTriangle(){
        System.out.println("绘制三角形");
    }
}
  1. 优点是比较好理解，简单易操作；
  2. 缺点是违反了设计模式的ocp原则，即对扩展开放(提供方)，对修改关闭(使用方)；
  3. 比如我们这时要新增加一个图形种类六变形，不仅需要新建图形类，还的修改GraphicEditor使用方代码使其能够使用六边形；
  4. 改进的思路：把创建Shape类做成抽象类，并提供一个抽象的draw方法，让子类去实现即可，这样我们有新的图形种类时，只需要让新的图形类继承Shape，并实现draw方法即可，使用方的代码就不需要修 -> 满足了开闭原则。

优化：

图形抽象父类：

java 复制代码 
public abstract class Shape {
    public abstract void draw();
}

图形类：

java 复制代码 
public class Rectangle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制矩形");
    }
}
java 复制代码 
public class Circle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制圆形");
    }
}
java 复制代码 
public class Triangle extends Shape {
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("绘制三角形");
    }
}

画图工具：

java 复制代码 
public class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape shape){
        shape.draw();
    }
}

六、迪米特法则

1、概述

  1. 迪米特法则有个更简单的定义：只与直接的朋友通信，即一个对象应该对其他对象保持最少的了解，也就是说，对于被依赖的类不管多么复杂，都尽量将逻辑封装在类的内部。对外除了提供的public 方法，不对外泄露任何信息
  2. 类与类关系越密切，耦合度越大
  3. 每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。其中，我们称出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。

2、案例演示

【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。

明星类：

java 复制代码 
//明星类
public class Star {
    private String name;
    public Star(String name) {
        this.name=name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

粉丝类：

java 复制代码 
//粉丝类
public class Fans {
    private String name;
    public Fans(String name) {
        this.name=name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

媒体公司类：

java 复制代码 
//媒体公司类
public class Company {
    private String name;
    public Company(String name) {
        this.name=name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

经纪人类：

java 复制代码 
//经纪人类
public class Agent {
    private Star star;
    private Fans fans;
    private Company company;
    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }
    public void setFans(Fans fans) {
        this.fans = fans;
    }
    public void setCompany(Company company) {
        this.company = company;
    }
    public void meeting() {
        System.out.println(fans.getName() + "与明星" + star.getName() + "见面了。");
    }
    public void business() {
        System.out.println(company.getName() + "与明星" + star.getName() + "洽淡业务。");
    }
}

客户端：

java 复制代码 
public class Demo6_1 {
    public static void main(String[] args) {
        Agent agent = new Agent();
        agent.setStar(new Star("鸡哥"));
        agent.setFans(new Fans("小黑子"));
        agent.setCompany(new Company("黑子公司"));
        agent.business();
        agent.meeting();
    }
}

七、合成/聚合复用原则

1、概述

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。

2、组合

组合（Composition） 表示的是'Part-od'的关系 ： 父类拥有子类，子类不能独立于父类存在（声明在内部）

java 复制代码 
//明星类
public class Star {
    private String name;
}
java 复制代码 
//经纪人类
public class Agent {
    //明星类的生命周期与经纪人类一致
    private Star star;
    public Agent(){
        this.star = new Star();
    }
}

3、聚合

聚合（Aggregation）表示的是'Has-a'的关系 : 父类包含子类，子类可以独立于父类存在（外部传入）

java 复制代码 
//明星类
public class Star {
    private String name;
}
java 复制代码 
//经纪人类
public class Agent {
    //明星类是从外部传入与经纪人类的生命周期不一致
    private Star star;
    public void setStar(Star star) {
        this.star = star;
    }
}

总结

这7种设计原则是软件设计模式必须尽量遵循的原则，各种原则要求的侧重点不同：

  • 开闭原则是总纲，它告诉我们要对扩展开放，对修改关闭。
  • 依赖倒置原则告诉我们要面向接口编程。
  • 单一职责原则告诉我们实现类要职责单一。
  • 接口隔离原则告诉我们在设计接口的时候要精简单一。
  • 迪米特法则告诉我们要降低耦合度。
  • 里氏替换原则告诉我们不要破坏继承体系。
  • 合成复用原则告诉我们要优先使用组合或者聚合关系复用，少用继承关系复用。
  • 参数类型，引用对象尽量使用接口或抽象类，而不是实现类，这主要是实现里氏替换原则的一个要求。
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