软件工程的23种设计模式的UML类图

二十三种设计模式0引言谈到设计模式，绝对应该一起来说说重构。重构给我们带来了什么？除了作为对遗留代码的改进的方法，另一大意义在于，可以让我们在写程序的时候可以不需事先考虑太多的代码组织问题，当然这其中也包括了应用模式的问题。尽管大多数开发者都已经养成了写代码前先从设计开始的习惯，但是，这种程度的设计，涉及到到大局、到总体架构、到主要的模块划分我觉得就够了。换句话说，这时就能写代码了。这就得益于重构的思想了。如果没有重构的思想，有希望获得非常高质量的代码，我们就不得不在开始写代码前考虑更多其实并非非常稳定的代码组织及设计模式的应用问题，那开发效率当然就大打折扣了。在重构和设计模式的合理应用之下，我们可以相对较早的开始写代码，并在功能尽早实现的同时，不断地通过重构和模式来改善我们的代码质量。所以，下面的章节中，在谈模式的同时，我也会谈谈关于常用的这些模式的重构成本的理解。重构成本越高意味着，在遇到类似的问题情形的时候，我们更应该提前考虑应用对应的设计模式，而重构成本比较低则说明，类似的情形下，完全可以先怎么方便，怎么快怎么写，哪怕代码不是很优雅也没关系，回头再重构也很容易。1创建型1.1FactoryMethod思想：FactoryMethod的主要思想是使一个类的实例化延迟到其子类。场景：典型的应用场景如：在某个系统开发的较早阶段，有某些类的实例化过程，实例化方式可能还不是很确定，或者实际实例化的对象（可能是需要对象的某个子类中的一个）不确定，或者比较容易变化。此时，如果直接将实例化过程写在某个函数中，那么一般就是if-else或select-case代码。如果，候选项的数目较少、类型基本确定，那么这样的if-else还是可以接受的，一旦情形变得复杂、不确定性增加，更甚至包含这个构造过程的函数所在的类包含几个甚至更多类似的函数时，这样的if-else代码就会变得比较不那么容易维护了。此时，应用本模式，可以将这种复杂情形隔离开，即将这类不确定的对象的实例化过程延迟到子类。实现：该模式的典型实现方法就是将调用类定义为一个虚类，在调用类定义一个专门用于构造不确定的对象实例的虚函数，再将实际的对象实例化代码留到调用类的子类来实现。如果，被构造的对象比较复杂的话，同时可以将这个对象定义为可以继承、甚至虚类，再在不同的调用类的子类中按需返回被构造类的子类。重构成本：低。该模式的重构成本实际上还与调用类自己的实例化方式相关。如果调用类是通过Factory方式（此处“Factory方式”泛指对象的实例化通过FactoryMethod或AbstractFactory这样的相对独立出来的方式构造）构造的，那么，重构成本相对就会更低。否则，重构时可能除了增加调用类的子类，还要将所有实例化调用类的地方，修改为以新增的子类代替。可能这样的子类还不止一个，那就可以考虑迭代应用模式来改善调用类的实例化代码。1.2AbstractFactory思想：不直接通过对象的具体实现类，而是通过使用专门的类来负责一组相关联的对象的创建。场景：最典型的应用场景是：您只想暴露对象的接口而不想暴露具体的实现类，但是又想提供实例化对象的接口给用户；或者，您希望所有的对象能够集中在一个或一组类（通常称作工厂类）来创建，从而可以更方便的对对象的实例化过程进行动态配置（此时只需要修改工厂类的代码或配置）。实现：该模式的实现是比较清晰简单的，如上图，就是定义创建和返回各种类对象实例的工厂类。在最复杂而灵活的情形，无论工厂类本身还是被创建的对象类都可能需要有一个继承体系。简单情形其实可以只是一个工厂类和需要被创建的对象类。不一定非要像上图中结构那么完备（累赘）。重构成本：中。如果一开始所有的对象都是直接创建，例如通过new实例化的，而之后想重构为AbstractFactory模式，那么，很自然的我们需要替换所有直接的new实例化代码为对工厂类对象创建方法的调用。考虑到像Resharper这样的重构工具的支持，找出对某个方法或构造函数的调用位置这样的操作相对还是比较容易，重构成本也不是非常高。同时，重构成本还和被创建对象的构造函数的重载数量相关。您需要根据实际情况考虑，是否工厂类要映射被创建对象的所有重载版本的构造函数。1.3Builder思想：将一个类的创建过程和他的主体部分分离。场景：该模式的典型的应用场景是：一个类的创建过程可能比较复杂，或者创建过程中的某些阶段可能会容易变化；或者多个类的创建过程比较类似，但是主体不同。实现：在以上提到的两种场景中，我们就可以取出一个类的创建过程的代码，定义一个专门的Builder类，而在原来创建类对象实例的地方，将这个Builder类的实例作为参数传入。还有第二个重点，就是Builder类可以将将整个创建过程分为几个阶段，每个阶段不必在类中直接实现，而可以通过继承体系在子类中实现，或者通过子类的方法过载来修改创建过程中的某个阶段，但是重用其他的阶段。可以发现，该模式将一个对象的复杂创建过程重用到非常高的层次。这正是它的意义所在。重构成本：低。该模式的重构成本我觉得是非常低的，因为一般来讲，创建过程的代码本来也就应该在原来的类的构造函数中，把它Extract出来就好了。如果发现多个类的创建过程有比较多的代码重复或类似，那么就可以重用这些提取出来的Builder类或者Builder类中的某些阶段。1.4Prototype思想：克隆一个已有的类的实例（大家相比都用过甚至写过类的Clone实现，应该很容易理解了）。场景：应用Clone的场景应该说非常多，理想情况下我当然希望任何类都能Clone，需要的时候就能Clone一份一模一样的出来。实现：这里将的实现主要之实现的表现形式，而不是如何用具体的语言来实现。因此，只要为需要Clone能力的类定义一个Clone方法就行。当然，一般，主流的程序语言框架都已经定义了通用的Clone接口（当然也可以自己定义），继承并实现该接口和方法就好。重构成本：极低。不多解释了吧。1.5Singleton思想：保证一个类只有一个唯一的实例。场景：生活中有些对象就是只要一个就好了，我们的代码中为什么要每次都为这样的对象生成一个实例呢？实现：最简单的实现方式就是使用一个static型的类实例，每次对该对象的创建请求都返回这个static的唯一实例就行。重构成本：极低。2结构型2.1Adapter思想：将一个类的接口转换成另外一个接口，使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。场景：该模式的应用场景太多了，很多需要的功能模块的接口和我们需要的不完全一致或者有多余或不足，但是需要和我们的系统协同工作，通过Adapter把它包装一下就能让使它接口兼容了。实现：定义一个Adapter类，包含需要包装的类，实现需要的其它接口，调用被包装的类的方法来实现需要的接口。重构成本：低。2.2Bridge思想：将一个类的抽象定义和具体实现解耦。场景：该模式的典型应用场景是：一个类的抽象定义已经确定，但是，其实现代码甚至原理可能会不同。比如：我们最熟悉的图形界面中的window的实现，无论在什么操作系统，什么平台的机器上，一个window应具有的抽象定义基本上是一致的，但是，其实现代码肯定会因为平台不同，机器的代码指令不同而不同。此时，如果希望您写的window类能跨平台，应用Bridge模式就是一个好主意。实现：该模式的实现方法很简单，就是除了定义类的抽象定义之外，将一个类的所有实现代码独立出一个实现类。这样一来，无论是抽象定义还是实现类都能分别修改和重用，但只要两部分的交互接口不变，还是可以方便的互相组装。当然，实际上也没有必要隔离出“所有实现代码”，只需要隔离需要的部分就行了。因此，也可以说，从代码结构来看，Builder模式是一种变种的Bridge模式的。也经常有人将Bridge模式和接口相比较，如果隔离出所有的实现，那么的确接口的方式也能做到抽象定义和实现分离，但是，Bridge有其优势如下：一、究竟隔离多少代码到Bridge类中可以灵活确定，二、减少了总的类的数目，三、允许被隔离出来的Bridge类被其它的类直接共享使用。重构成本：中。将所有的（或很大部分）实现代码分离开来总还是一件不大，但是，也不小的事。所以标个“中”在这里。：）2.3Composite思想：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。场景：该模式的应用场景极其类似，比如像图形系统，如电路设计、UML建模系统，或者像web的显示元素等，都是那种需要整体和部分具有使用接口上的一定的一致性的需求的结构，实际上，我觉得这样的系统如果不使用Composite模式将会是惨不忍睹的。实现：该模式的实现主要就是要表示整体或部分的所有类都继承自同一的基类或接口，从而拥有使用接口上一定的一致性。重构成本：高。2.4Decorator思想：为一个对象已有的子类添加一些额外的职责。场景：该模式的使用场景，主要是有的时候我们不愿意定义逻辑上新的子类，因为没有新的逻辑含义上的子类概念，而只是想为一个已存在的子类附加一些职责。实现：该模式的实现主要就是定义一个物理上的新的子类，但是，它只是包含要附加职责的类，传递外部对相同接口的调用，在这个传递调用的通道上附加额外的功能。突然想到，Decorator模式是不是一定程度上也能代替DynamicProxy模式，从而成为一种AOP实现的方案呢？重构成本：低。定义一个Decorator和一个已有类的逻辑上的子类，物理表现形式上都是一个子类，重构也确实不是难事。2.5Facade思想：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，这个接口使得这一子系统更加容易使用。场景：当你要为一个复杂子系统提供一个简单接口时。子系统往往因为不断演化而变得越来越复杂。大多数模式使用时都会产生更多更小的类。这使得子系统更具可重用性，也更容易对子系统进行定制，但这也给那些不需要定制子系统的用户带来一些使用上的困难。Facade可以提供一个简单的缺省视图，这一视图对大多数用户来说已经足够，而那些需要更多的可定制性的用户可以越过Facade层。客户程序与抽象类的实现部分之间存在着很大的依赖性。引入Facade将这个子系统与客户以及其他的子系统分离，可以提高子系统的独立性和可移植性。当你需要构建一个层次结构的子系统时，使用Facade模式定义子系统中每层的入口点。如果子系统之间是相互依赖的，你可以让它们仅通过Facade进行通讯，从而简化了它们之间的依赖关系。（这里直接引用了《设计模式迷你手册》，因为觉得它确实已经说得很明了了，下面类似的情形我直接引用原文的就不再注明了，这里先说明一下，感谢《手册》作者的这些优秀总结。当然，本文的绝大多数文字都是Teddy本人的原创看法，绝非抄袭，您可以比较本文和附件《手册》，附件同时也会提供本文的Word版本下载。）实现：该模式的实现需要定义一个新的系统构架上的Layer，该层向上提供一组新的接口，向下调用子系统原有的接口。重构成本：高。要修改所有直接对子系统的地调用为对Façade层的调用还是有很多事情要做的。不过，现代IDE中，如果我们删除调用层对子系统的程序集引用，那么所有这些我们需要修改的调用都能标示出来，因为编译不能通过了嘛，因此，重构的风险还不算特别大，只是工作量着实不小。2.6Flyweight思想：说Flyweight可能有的朋友第一次看到想象不到是什么样子，其实说他就是一个Pool，你可能就明白了。也就是由一个FlyweightFactory来管理一族一定数目逻辑上经常需要构建和销毁的细颗粒对象，例如我们常见的数据库连接池。在Factory内部，并不物理销毁这些对象，而在接到实例化请求时返回这些被关系对象的实例，从而减少创建销毁这些细颗粒对象的开销。场景：基本上所有的需要Pool这个概念的环境都能应用。实现：实现的底层方式可以千变万化，在接口上就是如上图所示，花样不多。这里就不多解释。重构成本：低。2.7Proxy思想：前面在Decorator模式中也提