设计原则与设计模式

设计原则

单一职责原则

一个类只负责完成一个职责或者功能。也就是说，不要设计大而全的类，要设计粒度小、功能单一的类。换个角度来讲就是，一个类包含了两个或者两个以上业务不相干的功能，那我们就说它职责不够单一，应该将它拆分成多个功能更加单一、粒度更细的类。

价一个类的职责是否足够单一，我们并没有一个非常明确的标准，可以说，这是件非常主观的事情。实际上，在真正的软件开发中，没必要过于未雨绸缪，过度设计。所以，我们可以先写一个粗粒度的类，满足业务需求。随着业务的发展，如果粗粒度的类越来越庞大，代码越来越多，这个时候，我们就可以将这个粗粒度的类，拆分成几个更细粒度的类。这就是所谓的持续重构。

如何判断是否符合单一职责原则：

类中的代码行数、函数或属性过多，会影响代码的可读性和可维护性，我们就需要考虑对类进行拆分；
类依赖的其他类过多，或者依赖类的其他类过多，不符合高内聚、低耦合的设计思想，我们就需要考虑对类进行拆分；
比较难给类起一个合适名字，很难用一个业务名词概括，或者只能用一些笼统的 Manager、Context 之类的词语来命名，这就说明类的职责定义得可能不够清晰；
类中大量的方法都是集中操作类中的某几个属性，比如，在 UserInfo 例子中，如果一半的方法都是在操作 address 信息，那就可以考虑将这几个属性和对应的方法拆分出来。

开闭原则

添加一个新的功能应该是，在已有代码基础上扩展代码（新增模块、类、方法等），而非修改已有代码（修改模块、类、方法等）。这个原则的目的是在扩展新功能时，应该尽量避免修改影响原有逻辑运行，影响系统稳定性。从定义中，我们可以看出，开闭原则可以应用在不同粒度的代码中，可以是模块，也可以类，还可以是方法（及其属性）。同样一个代码改动，在粗代码粒度下，被认定为"修改"，在细代码粒度下，又可以被认定为"扩展"。没必要纠结某个代码改动是"修改"还是"扩展"，更没必要太纠结它是否违反"开闭原则"。我们回到这条原则的设计初衷：只要它没有破坏原有的代码的正常运行，没有破坏原有的单元测试。

为了尽量写出扩展性好的代码，我们要时刻具备扩展意识、抽象意识、封装意识。这些"潜意识"可能比任何开发技巧都重要。

里式替换原则

子类对象（object of subtype/derived class）能够替换程序（program）中父类对象（object of base/parent class）出现的任何地方，并且保证原来程序的逻辑行为（behavior）不变及正确性不被破坏。看起来比较抽象，进一步解读一下。子类在设计的时候，要遵守父类的行为约定（或者叫协议）。父类定义了函数的行为约定，那子类可以改变函数的内部实现逻辑，但不能改变函数原有的行为约定。这里的行为约定包括：函数声明要实现的功能；对输入、输出、异常的约定；甚至包括注释中所罗列的任何特殊说明。实际上，定义中父类和子类之间的关系，也可以替换成接口和实现类之间的关系。

接口隔离原则

客户端不应该被强迫依赖它不需要的接口。其中的"客户端"，可以理解为接口的调用者或者使用者。

如果把"接口"理解为一组接口集合，可以是某个微服务的接口，也可以是某个类库的接口等。如果部分接口只被部分调用者使用，我们就需要将这部分接口隔离出来，单独给这部分调用者使用，而不强迫其他调用者也依赖这部分不会被用到的接口。

如果把"接口"理解为单个 API 接口或函数，部分调用者只需要函数中的部分功能，那我们就需要把函数拆分成粒度更细的多个函数，让调用者只依赖它需要的那个细粒度函数。

如果把"接口"理解为 OOP 中的接口，也可以理解为面向对象编程语言中的接口语法。那接口的设计要尽量单一，不要让接口的实现类和调用者，依赖不需要的接口函数。

依赖反转原则

高层模块（high-level modules）不要依赖低层模块（low-level）。高层模块和低层模块应该通过抽象（abstractions）来互相依赖。除此之外，抽象（abstractions）不要依赖具体实现细节（details），具体实现细节（details）依赖抽象（abstractions）。

设计模式

创建型

单例模式

一个类只允许创建一个对象（或者实例），那这个类就是一个单例类，这种设计模式就叫作单例设计模式，通常使用在处理资源访问冲突、表示全局唯一类等场景。

实现单例模式的方式有：

饿汉式：

csharp 复制代码

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

懒汉式

csharp 复制代码

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static synchronized IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      instance = new IdGenerator();
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

双重检测

csharp 复制代码

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private static IdGenerator instance;
  private IdGenerator() {}
  public static IdGenerator getInstance() {
    if (instance == null) {
      synchronized(IdGenerator.class) { // 此处为类级别的锁
        if (instance == null) {
          instance = new IdGenerator();
        }
      }
    }
    return instance;
  }
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

上述实现方式存在问题：CPU 指令重排序可能导致在 IdGenerator 类的对象被关键字 new 创建并赋值给 instance 之后，还没来得及初始化（执行构造函数中的代码逻辑），就被另一个线程使用了。这样，另一个线程就使用了一个没有完整初始化的 IdGenerator 类的对象。要解决这个问题，我们只需要给 instance 成员变量添加 volatile 关键字来禁止指令重排序即可。

静态内部类

csharp 复制代码

public class IdGenerator { 
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
  private IdGenerator() {}

  private static class SingletonHolder{
    private static final IdGenerator instance = new IdGenerator();
  }
  
  public static IdGenerator getInstance() {
    return SingletonHolder.instance;
  }
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

SingletonHolder 是一个静态内部类，当外部类 IdGenerator 被加载的时候，并不会创建 SingletonHolder 实例对象，被使用的时候才会加载创建。只有当调用 getInstance() 方法时，SingletonHolder 才会被加载，这个时候才会创建 instance。instance 的唯一性、创建过程的线程安全性，都由 JVM 来保证。

枚举类

csharp 复制代码

public enum IdGenerator {
  INSTANCE;
  private AtomicLong id = new AtomicLong(0);
 
  public long getId() { 
    return id.incrementAndGet();
  }
}

单例类的弊端：

使用方式违背了基于接口而非实现的设计原则，后期修改实现方式不太好兼容。
隐藏了类之间的依赖关系，没有直接通过方法参数等体系出依赖关系。
不支持有参构造；

工厂方法

如果创建对象的逻辑具有一定复杂度，可以将对象的创建封装到一个类当中，这个类就是工厂类。

简单工厂方法

typescript 复制代码

public class RuleConfigParserFactory {
  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    IRuleConfigParser parser = null;
    if ("json".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new JsonRuleConfigParser();
    } else if ("xml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new XmlRuleConfigParser();
    } else if ("yaml".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new YamlRuleConfigParser();
    } else if ("properties".equalsIgnoreCase(configFormat)) {
      parser = new PropertiesRuleConfigParser();
    }
    return parser;
  }
}

typescript 复制代码

public class RuleConfigParserFactory {
  private static final Map<String, RuleConfigParser> cachedParsers = new HashMap<>();

  static {
    cachedParsers.put("json", new JsonRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("xml", new XmlRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("yaml", new YamlRuleConfigParser());
    cachedParsers.put("properties", new PropertiesRuleConfigParser());
  }

  public static IRuleConfigParser createParser(String configFormat) {
    if (configFormat == null || configFormat.isEmpty()) {
      return null;//返回null还是IllegalArgumentException全凭你自己说了算
    }
    IRuleConfigParser parser = cachedParsers.get(configFormat.toLowerCase());
    return parser;
  }
}

构建者模式

当遇到以下情况是，考虑使用构建者模式：

如果必填的属性有很多，把这些必填属性都放到构造函数中设置，那构造函数就又会出现参数列表很长的问题。如果我们把必填属性通过 set() 方法设置，那校验这些必填属性是否已经填写的逻辑就无处安放了。
如果类的属性之间有一定的依赖关系或者约束条件，我们继续使用构造函数配合 set() 方法的设计思路，那这些依赖关系或约束条件的校验逻辑就无处安放了。
如果我们希望创建不可变对象，也就是说，对象在创建好之后，就不能再修改内部的属性值，要实现这个功能，我们就不能在类中暴露 set() 方法。构造函数配合 set() 方法来设置属性值的方式就不适用了。

java 复制代码

public class ResourcePoolConfig {
  private String name;
  private int maxTotal;
  private int maxIdle;
  private int minIdle;

  private ResourcePoolConfig(Builder builder) {
    this.name = builder.name;
    this.maxTotal = builder.maxTotal;
    this.maxIdle = builder.maxIdle;
    this.minIdle = builder.minIdle;
  }
  //...省略getter方法...

  //我们将Builder类设计成了ResourcePoolConfig的内部类。
  //我们也可以将Builder类设计成独立的非内部类ResourcePoolConfigBuilder。
  public static class Builder {
    private static final int DEFAULT_MAX_TOTAL = 8;
    private static final int DEFAULT_MAX_IDLE = 8;
    private static final int DEFAULT_MIN_IDLE = 0;

    private String name;
    private int maxTotal = DEFAULT_MAX_TOTAL;
    private int maxIdle = DEFAULT_MAX_IDLE;
    private int minIdle = DEFAULT_MIN_IDLE;

    public ResourcePoolConfig build() {
      // 校验逻辑放到这里来做，包括必填项校验、依赖关系校验、约束条件校验等
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (maxIdle > maxTotal) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      if (minIdle > maxTotal || minIdle > maxIdle) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }

      return new ResourcePoolConfig(this);
    }

    public Builder setName(String name) {
      if (StringUtils.isBlank(name)) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.name = name;
      return this;
    }

    public Builder setMaxTotal(int maxTotal) {
      if (maxTotal <= 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxTotal = maxTotal;
      return this;
    }

    public Builder setMaxIdle(int maxIdle) {
      if (maxIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.maxIdle = maxIdle;
      return this;
    }

    public Builder setMinIdle(int minIdle) {
      if (minIdle < 0) {
        throw new IllegalArgumentException("...");
      }
      this.minIdle = minIdle;
      return this;
    }
  }
}

// 这段代码会抛出IllegalArgumentException，因为minIdle>maxIdle
ResourcePoolConfig config = new ResourcePoolConfig.Builder()
        .setName("dbconnectionpool")
        .setMaxTotal(16)
        .setMaxIdle(10)
        .setMinIdle(12)
        .build();

原型模式

如果对象的创建成本比较大，而同一个类的不同对象之间差别不大（大部分字段都相同），在这种情况下，我们可以利用对已有对象（原型）进行复制（或者叫拷贝）的方式，来创建新对象，以达到节省创建时间的目的。这种基于原型来创建对象的方式就叫作原型设计模式，简称原型模式。

原型模式有两种实现方法，深拷贝和浅拷贝。浅拷贝只会复制对象中基本数据类型数据和引用对象的内存地址，不会递归地复制引用对象，以及引用对象的引用对象......而深拷贝得到的是一份完完全全独立的对象。所以，深拷贝比起浅拷贝来说，更加耗时，更加耗内存空间。

结构型

代理模式

在不改变原始类（或叫被代理类）代码的情况下，通过引入代理类来给原始类附加功能。实现方式：

原始类与代理类实现同一个接口，原始类只负责业务功能。代理类负责在业务代码执行前后附加其他逻辑代码，并通过委托的方式调用原始类来执行业务代码。
原始类如果是第三方类，无法修改，可以选择继承原始类，子类中在执行业务代码前后附加额外功能，这种方法需要为每个被代理的类都创建自类（类爆炸）。
动态代理:

ini 复制代码

public class MetricsCollectorProxy {
  private MetricsCollector metricsCollector;

  public MetricsCollectorProxy() {
    this.metricsCollector = new MetricsCollector();
  }

  public Object createProxy(Object proxiedObject) {
    Class<?>[] interfaces = proxiedObject.getClass().getInterfaces();
    DynamicProxyHandler handler = new DynamicProxyHandler(proxiedObject);
    return Proxy.newProxyInstance(proxiedObject.getClass().getClassLoader(), interfaces, handler);
  }

  private class DynamicProxyHandler implements InvocationHandler {
    private Object proxiedObject;

    public DynamicProxyHandler(Object proxiedObject) {
      this.proxiedObject = proxiedObject;
    }

    @Override
    public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
      long startTimestamp = System.currentTimeMillis();
      Object result = method.invoke(proxiedObject, args);
      long endTimeStamp = System.currentTimeMillis();
      long responseTime = endTimeStamp - startTimestamp;
      String apiName = proxiedObject.getClass().getName() + ":" + method.getName();
      RequestInfo requestInfo = new RequestInfo(apiName, responseTime, startTimestamp);
      metricsCollector.recordRequest(requestInfo);
      return result;
    }
  }
}

//MetricsCollectorProxy使用举例
MetricsCollectorProxy proxy = new MetricsCollectorProxy();
IUserController userController = (IUserController) proxy.createProxy(new UserController());

代理模式在平时的开发经常被用到，常用在业务系统中开发一些非功能性需求，比如：监控、统计、鉴权、限流、事务、幂等、日志。

桥接模式

将抽象和实现解耦，让它们可以独立变化。JDBC 驱动是桥接模式的经典应用：

ini 复制代码

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver");//加载及注册JDBC驱动程序
String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/sample_db?user=root&password=your_password";
Connection con = DriverManager.getConnection(url);
Statement stmt = con.createStatement()；
String query = "select * from test";
ResultSet rs=stmt.executeQuery(query);
while(rs.next()) {
  rs.getString(1);
  rs.getInt(2);
}

实际上，JDBC 本身就相当于"抽象"。注意，这里所说的"抽象"，指的并非"抽象类"或"接口"，而是跟具体的数据库无关的、被抽象出来的一套"类库"。具体的 Driver（比如，com.mysql.jdbc.Driver）就相当于"实现"。注意，这里所说的"实现"，也并非指"接口的实现类"，而是跟具体数据库相关的一套"类库"。JDBC 和 Driver 独立开发，通过对象之间的组合关系，组装在一起。JDBC 的所有逻辑操作，最终都委托给 Driver 来执行。

装饰器模式

装饰器模式主要解决继承关系过于复杂的问题，通过组合来替代继承。它主要的作用是给原始类添加增强功能。装饰器的两个特点：

装饰器类和原始类继承同样的父类，这样我们可以对原始类"嵌套"多个装饰器类。

ini 复制代码

InputStream in = new FileInputStream("/user/wangzheng/test.txt");
InputStream bin = new BufferedInputStream(in);
DataInputStream din = new DataInputStream(bin);
int data = din.readInt();

装饰器模式是对功能的增强，代理模式中，代理类附加的是跟原始类无关的功能，而在装饰器模式中，装饰器类附加的是跟原始类相关的增强功能。

适配器模式

这个模式就是用来做适配的，它将不兼容的接口转换为可兼容的接口，让原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。适配器模式有两种实现方式：类适配器和对象适配器。其中，类适配器使用继承关系来实现，对象适配器使用组合关系来实现。ITarget 表示要转化成的接口定义。Adaptee 是一组不兼容 ITarget 接口定义的接口，Adaptor 将 Adaptee 转化成一组符合 ITarget 接口定义的接口。

csharp 复制代码

// 类适配器: 基于继承
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor extends Adaptee implements ITarget {
  public void f1() {
    super.fa();
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  // 这里fc()不需要实现，直接继承自Adaptee，这是跟对象适配器最大的不同点
}

// 对象适配器：基于组合
public interface ITarget {
  void f1();
  void f2();
  void fc();
}

public class Adaptee {
  public void fa() { //... }
  public void fb() { //... }
  public void fc() { //... }
}

public class Adaptor implements ITarget {
  private Adaptee adaptee;
  
  public Adaptor(Adaptee adaptee) {
    this.adaptee = adaptee;
  }
  
  public void f1() {
    adaptee.fa(); //委托给Adaptee，在委托方法执行前后可以做一些适配处理
  }
  
  public void f2() {
    //...重新实现f2()...
  }
  
  public void fc() {
    adaptee.fc();
  }
}

在实际的开发中，到底该如何选择使用哪一种呢？判断的标准主要有两个，一个是 Adaptee 接口的个数，另一个是 Adaptee 和 ITarget 的契合程度。

如果 Adaptee 接口并不多，那两种实现方式都可以。
如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都相同，那我们推荐使用类适配器，因为 Adaptor 复用父类 Adaptee 的接口，比起对象适配器的实现方式，Adaptor 的代码量要少一些。
如果 Adaptee 接口很多，而且 Adaptee 和 ITarget 接口定义大部分都不相同，那我们推荐使用对象适配器，因为组合结构相对于继承更加灵活。

应用场景：

封装有缺陷的接口设计
统一多个类的接口设计
替换依赖的外部系统
兼容老版本接口
适配不同格式的数据

总而言之，将需要适配兼容的逻辑集中到一处处理。

门面模式

门面模式为子系统提供一组统一的接口，定义一组高层接口让子系统更易用。接口粒度设计得太大，太小都不好。太大会导致接口不可复用，太小会导致接口不易用。在实际的开发中，接口的可复用性和易用性需要"微妙"的权衡。针对这个问题，我的一个基本的处理原则是，尽量保持接口的可复用性，但针对特殊情况，允许提供冗余的门面接口，来提供更易用的接口。

组合模式

组合模式，将一组对象组织成树形结构，将单个对象和组合对象都看做树中的节点，以统一处理逻辑，并且它利用树形结构的特点，递归地处理每个子树，依次简化代码实现。使用组合模式的前提在于，你的业务场景必须能够表示成树形结构。所以，组合模式的应用场景也比较局限，它并不是一种很常用的设计模式。

享元模式

当一个系统中存在大量重复对象的时候，如果这些重复的对象是不可变对象，我们就可以利用享元模式将对象设计成享元，在内存中只保留一份实例，供多处代码引用，达到节省内存的目的。

行为型

观察者模式

在对象之间定义一个一对多的依赖，当一个对象状态改变的时候，所有依赖的对象都会自动收到通知。消息队列，ApplicationEvent都是观察者模式的应用。

模版方法模式

模板方法模式在一个方法中定义一个算法骨架，并将某些步骤推迟到子类中实现。模板方法模式可以让子类在不改变算法整体结构的情况下，重新定义算法中的某些步骤。模板模式主要是用来解决复用和扩展两个问题。

在模板模式经典的实现中，模板方法定义为 final，可以避免被子类重写。需要子类重写的方法定义为 abstract，可以强迫子类去实现。回调与模版方法的区别：

回调基于组合关系来实现，把一个对象传递给另一个对象，是一种对象之间的关系；模板模式基于继承关系来实现，子类重写父类的抽象方法，是一种类之间的关系。
同步回调跟模板模式几乎一致。它们都是在一个大的算法骨架中，自由替换其中的某个步骤，起到代码复用和扩展的目的。而异步回调跟模板模式有较大差别，更像是观察者模式。

回调相对于模板模式会更加灵活，主要体现在下面几点。

像 Java 这种只支持单继承的语言，基于模板模式编写的子类，已经继承了一个父类，不再具有继承的能力。
回调可以使用匿名类来创建回调对象，可以不用事先定义类；而模板模式针对不同的实现都要定义不同的子类。
如果某个类中定义了多个模板方法，每个方法都有对应的抽象方法，那即便我们只用到其中的一个模板方法，子类也必须实现所有的抽象方法。而回调就更加灵活，我们只需要往用到的模板方法中注入回调对象即可。

策略模式

定义一族算法类，将每个算法分别封装起来，让它们可以互相替换。策略模式可以使算法的变化独立于使用它们的客户端。策略模式将定义、创建、使用解偶。

策略定义：客户端代码基于接口而非实现编程，可以灵活地替换不同的策略。
策略创建：因为策略模式会包含一组策略，在使用它们的时候，一般会通过类型（type）来判断创建哪个策略来使用。
策略使用：在程序运行期间，根据配置、用户输入、计算结果等这些不确定因素，动态决定使用哪种策略。

职责链模式

在职责链模式中，多个处理器依次处理同一个请求。一个请求先经过 A 处理器处理，然后再把请求传递给 B 处理器，B 处理器处理完后再传递给 C 处理器，以此类推，形成一个链条。链条上的每个处理器各自承担各自的处理职责，所以叫作职责链模式。

在 GoF 的定义中，一旦某个处理器能处理这个请求，就不会继续将请求传递给后续的处理器了。当然，在实际的开发中，也存在对这个模式的变体，那就是请求不会中途终止传递，而是会被所有的处理器都处理一遍。

职责链模式有两种常用的实现。一种是使用链表来存储处理器，另一种是使用数组来存储处理器，后面一种实现方式更加简单。

迭代器模式

迭代器模式将集合对象的遍历操作从集合类中拆分出来，放到迭代器类中，让两者的职责更加单一。迭代器是用来遍历容器的，所以，一个完整的迭代器模式一般会涉及容器和容器迭代器两部分内容。为了达到基于接口而非实现编程的目的，容器又包含容器接口、容器实现类，迭代器又包含迭代器接口、迭代器实现类。

迭代器的优势：

对于类似数组和链表这样的数据结构，遍历方式比较简单，直接使用 for 循环来遍历就足够了。但是，对于复杂的数据结构（比如树、图）来说，有各种复杂的遍历方式。比如，树有前中后序、按层遍历，图有深度优先、广度优先遍历等等。如果由客户端代码来实现这些遍历算法，势必增加开发成本，而且容易写错。如果将这部分遍历的逻辑写到容器类中，也会导致容器类代码的复杂性。应对复杂性的方法就是拆分。我们可以将遍历操作拆分到迭代器类中。比如，针对图的遍历，我们就可以定义 DFSIterator、BFSIterator 两个迭代器类，让它们分别来实现深度优先遍历和广度优先遍历。
容器和迭代器都提供了抽象的接口，方便我们在开发的时候，基于接口而非具体的实现编程。