深度理解设计模式——概述,SOLID原则

本教程通过深入浅出地方式一步一步叫你学会设计模型的方方面面,包括白话SOLID原则、23种设计模式的适用场景对比、优缺点、最佳实践等等。

包含以下系列文章:
深度理解设计模式------概述,SOLID原则
一文学会设计模式之创建型模式及最佳实现
一文学会设计模式之结构型模式及最佳实现
一文学会设计模式之行为型模式及最佳实现

1. 设计模式概述

设计模式(Design Pattern, DP)是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。它描述了在软件设计过程中反复出现的问题以及其解决方案,是面向对象设计原则的实际应用。

2. 起源与发展

设计模式的概念最早源自建筑领域。1977年,美国建筑大师克里斯托夫·亚历山大(Christopher Alexander)在著作《建筑模式语言:城镇、建筑、构造》中提出了253种建筑设计模式。1987年,肯特·贝克(Kent Beck)和沃德·坎宁安(Ward Cunningham)将这一思想应用于Smalltalk图形界面开发。1995年,埃里希·伽马(Erich Gamma)、理查德·海尔姆(Richard Helm)、拉尔夫·约翰森(Ralph Johnson)和约翰·威利斯迪斯(John Vlissides)合作出版《设计模式:可复用面向对象软件的基础》(Design Patterns: Elements of Reusable Object-Oriented Software),系统提出了23种设计模式,这四位作者因此被称为"四人帮"(Gang of Four, GoF),他们的工作成为软件设计模式发展的重要里程碑。

3. 设计模式的分类

软件设计模式主要分为三大类,共23种经典模式:

3.1. 创建型模式(Creational Pattern, CP)

关注对象创建机制,避免直接实例化对象:

  • 抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)
  • 工厂方法模式(Factory Method Pattern)
  • 单例模式(Singleton Pattern)
  • 建造者模式(Builder Pattern)
  • 原型模式(Prototype Pattern)

3.2. 结构型模式(Structural Pattern, SP)

关注类和对象的组合,形成更大结构:

  • 适配器模式(Adapter Pattern)
  • 桥接模式(Bridge Pattern)
  • 组合模式(Composite Pattern)
  • 装饰器模式(Decorator Pattern)
  • 外观模式(Facade Pattern)
  • 享元模式(Flyweight Pattern)
  • 代理模式(Proxy Pattern)

3.3. 行为型模式(Behavioral Pattern, BP)

关注对象间的交互和责任分配:

  • 责任链模式(Chain of Responsibility Pattern)
  • 命令模式(Command Pattern)
  • 解释器模式(Interpreter Pattern)
  • 迭代器模式(Iterator Pattern)
  • 中介者模式(Mediator Pattern)
  • 备忘录模式(Memento Pattern)
  • 观察者模式(Observer Pattern)
  • 状态模式(State Pattern)
  • 策略模式(Strategy Pattern)
  • 模板方法模式(Template Method Pattern)
  • 访问者模式(Visitor Pattern)

4. 设计模式的核心SOLID原则

设计模式的本质是面向对象设计原则的实际应用,这些原则可归纳为SOLID原则

  1. 单一职责原则(Single Responsibility Principle, SRP):一个类只做一件事,只应有一个引起它变化的原因。
  2. 开闭原则(Open Closed Principle, OCP):软件实体如类、模块和函数应对扩展开放,对修改封闭。
  3. 里氏替换原则(Liskov Substitution Principle, LSP):子类应能替换父类出现的任何地方并保持预期不变。
  4. 接口隔离原则(Interface Segregation Principle, ISP):设计接口时要精简单一,避免实现不需要的方法。
  5. 依赖倒置原则(Dependency Inversion Principle, DIP):细节应依赖于抽象,抽象不依赖于细节。

4.1. S - 单一职责原则 (SRP)

大白话:一个类/模块/组件只干一件事,就像一个厨师只负责炒菜,不负责点菜、洗碗和收银。

例子:你有个"用户信息"类,别让它既负责显示信息,又负责存数据库,还负责发邮件。应该拆成"UserInfo"(显示)、"UserDB"(存数据库)、"UserEmail"(发邮件)三个小助手,各司其职。

4.2. O - 开闭原则 (OCP)

大白话:软件实体要像瑞士军刀,能随时加新功能,但别动原来的刀片。

例子:你有个"按钮"组件,想加个"红色按钮"功能,就直接在按钮上加个"color"属性,而不是把原来的按钮代码都改一遍。这样你既保留了原有功能,又增加了新功能。

4.3. L - 里氏替换原则 (LSP)

大白话:子类要能像父类一样正常工作,不能"冒充"出问题。

例子:你有个"鸟"类,有"飞"的方法。企鹅是鸟的子类,但企鹅不能飞。按SOLID原则,应该这样设计:

  • "鸟"类只定义"下蛋"等通用行为
  • "会飞的鸟"类继承"鸟"类,有"飞"的方法
  • 企鹅继承"鸟"类,但没有"飞"的方法

这样,当你需要"飞"的时候,只用会飞的鸟,企鹅就不需要"飞"了。

4.4. I - 接口隔离原则 (ISP)

大白话:别让一个接口太"臃肿",像工具箱要分小盒装。

例子:别把"所有工具"都塞在一个接口里。应该拆成"切水果接口"、"切菜接口"、"开瓶器接口",这样用切水果的就只依赖切水果接口,不用管其他工具。

4.5. D - 依赖倒置原则 (DIP)

大白话:别直接依赖具体实现,要依赖抽象。

例子:别写"我要用苹果手机",而要写"我要用手机"。这样以后想换安卓手机,只要手机接口不变,代码就不用大改。


4.6. 设计模式的价值

  1. 复用经验 (Reuse Experience)
  2. 标准化沟通 (Standardized Communication)
  3. 代码解耦 (Code Decoupling)
  4. 提升可维护性 (Improve Maintainability)
  5. 增强可扩展性 (Enhance Scalability)
  6. 培养抽象思维 (Cultivate Abstract Thinking)

设计模式不是固定公式,而是一种解决问题的思路。通过运用设计模式,开发人员可以站在前人的肩膀上,避免重复造轮子,使代码更加优雅、灵活和可维护。在软件开发中,设计模式已成为解决常见问题的通用解决方案,是软件工程领域的重要实践。

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