Chapter1—设计模式基础

设计模式基础

1 面向对象基本概念

想要学好设计模式这一课程，我们需要了解一些面向对象编程的一些基本概念。

封装（Encapsulation）

封装是面向对象编程的一个主要特征，它将对象的数据（属性）和操作这些数据的方法（行为）结合在一起，形成一个独立的对象。这样做的好处是可以隐藏内部的复杂性，只暴露有限的接口给外部使用。在Java中，通常通过设置成员变量为私有（private）来实现封装，并提供公共的方法（public methods）来访问和修改这些变量。

继承（Inheritance）

继承允许新创建的类（子类）继承现有类（父类）的属性和方法。这意味着可以在现有类的基础上构建新的类，从而重用和扩展现有代码。在Java中，继承是通过关键字extends来实现的。

多态（Polymorphism）

多态性是指允许不同类的对象对同一消息作出响应的能力。简单来说，就是允许使用父类类型的引用指向子类的对象。这样，同一个接口可以用来调用不同的实现方法，这些方法可能属于不同的类。

封装和继承的概念相对较为简单，多态相对来说比较复杂一点。

2 多态

C++多态（Polymorphism）允许使用基类指针或引用来调用子类的重写方法，从而使得同一接口可以表现不同的行为。

以下是多态的几个关键点：

虚函数（Virtual Functions）：

在基类中声明一个函数为虚函数，使用关键字virtual。
派生类可以重写（override）这个虚函数。
调用虚函数时，会根据对象的实际类型来决定调用哪个版本的函数。

动态绑定（Dynamic Binding）：

也称为晚期绑定（Late Binding），在运行时确定函数调用的具体实现。
需要使用指向基类的指针或引用来调用虚函数，编译器在运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。

纯虚函数（Pure Virtual Functions）：

一个包含纯虚函数的类被称为抽象类（Abstract Class），它不能被直接实例化。
纯虚函数没有函数体，声明时使用= 0。
它强制派生类提供具体的实现。

多态的实现机制：

虚函数表（V-Table）：C++运行时使用虚函数表来实现多态。每个包含虚函数的类都有一个虚函数表，表中存储了指向类中所有虚函数的指针。
虚函数指针（V-Ptr）：对象中包含一个指向该类虚函数表的指针。

使用多态的优势：

代码复用：通过基类指针或引用，可以操作不同类型的派生类对象，实现代码的复用。
扩展性：新增派生类时，不需要修改依赖于基类的代码，只需要确保新类正确重写了虚函数。
解耦：多态允许程序设计更加模块化，降低类之间的耦合度。

注意事项：

只有通过基类的指针或引用调用虚函数时，才会发生多态。
如果直接使用派生类的对象调用函数，那么调用的是派生类中的版本，而不是基类中的版本。
多态性需要运行时类型信息（RTTI），这可能会增加程序的开销。

程序示例

Worker 基类：

cpp 复制代码

class Worker
{
public:
    Worker() = default;
    virtual ~Worker() = default;

public:
    virtual void DoWork() = 0;
};

Coder类继承自Worker类：

cpp 复制代码

 class Coder: public Worker
{
public:
    Coder() = default;
    ~Coder() = default;

public:
    void DoWork() override;
};

void Coder::DoWork()
{
    qDebug() << "程序员写代码！";
}

Tester类继承自Worker类：

cpp 复制代码

class Tester: public Worker
{
public:
    Tester() = default;
    ~Tester() = default;

public:
    void DoWork() override;
};

void Tester::DoWork()
{
    qDebug() << "测试测试用例！";
}

测试函数：

cpp 复制代码

void TestPolymorphism()
{
    Worker* pWorker = nullptr;

    pWorker = new Coder();
    pWorker->DoWork();          // 调用Coder的DoWork方法
    delete pWorker;
    pWorker = nullptr;

    pWorker = new Tester();
    pWorker->DoWork();          // 调用Tester的DoWork方法
    delete pWorker;
    pWorker = nullptr;
}

有了多态的基础，我们还需要知道在面向对象编程中，我们类与类之间的一些常见关系，知道它们的UML类图怎么表示，学习设计模式本身不需要系统学习UML课程，但是基本的类图关系还是要会。

3 类间关系

设计模式中涉及到的常见的类之间的关系如下

接口实现关系
继承泛化关系
不可分离组合关系
可分离聚合关系
关联关系
依赖关系

接口实现关系

接口实现关系就是派生类必须重写接口中的所有方法，在UML类图中用"虚线+空心箭头"表示，其中箭头指向基类。

继承泛化关系

继承泛化关系就是常说的继承关系，派生类继承基类，基类被看作"一般设计"，派生类被看作"特俗设计"，因此继承泛化关系也被看作一般与特殊的关系，在UML类图中用"实线+实心箭头"表示，其中箭头指向基类。

不可分离组合关系

不可分离组合关系可以用整体和部分之间的关系来解释，部分是不能脱离整体单独存在的。部分对象与整体对象是不可分离的，一旦整体对象析构，部分对象就会随之消失，它们属于同一个生命周期。不可分离组合关系在UML类中用"实线+实心菱形"表示，其中实心菱形指向整体。

可分离聚合关系

可分离聚合关系也可以说成是整体与部分的关系，它与不可分离组合关系的区别是，这种整体与部分是可以分离的，也就是说部分是可以脱离整体单独存在的。UML类中用"实线+空心菱形"表示，其中空心菱形指向整体。

关联关系

关联关系就是一个类与另一个类在对象之间的联系，联系可以是双向的，也可以是单向的。在UML类图中，双向关联关系用没有箭头的实线表示，单向关联关系用"实线+箭头"表示，箭头指向被关联的类。

依赖关系

只有在一个类依赖另一个类中的方法时才存在依赖关系，一般将类作为参数传递，通过对方法的调用实现一个类访问另一个类的功能。在UML类图中，使用带箭头的虚线表示这类关系，箭头指向被依赖的类。