【设计模式】设计模式概述

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文章目录

前言
设计模式概述
- 一、设计模式的历史
- 二、理解面向对象
- 三、软件设计的复杂性
- 四、软件设计的目标
后记

前言

大家好，我是白晨。不知不觉已经🕊了很久了，白晨在这里给大家道个歉。

本次为大家带来的是全新的专栏——设计模式，许多同学学习了面向对象的概念，但是面向对象在实际开发中到底好不好用、到底如何使用，这个问题可能很多人都无法回答。同时，在现在的面试中，设计模式被提及的概率越来越高，“你都使用过什么设计模式？”、“在xxx中都使用了哪些设计模式“，这些问题相信有过面试经历的人都会被问到，但是即使是一个编程的老鸟，做到准确无误的使用设计模式和理解设计模式也是非常困难的。

基于以上两点，白晨想详细介绍每种设计模式的设计思想（重点）、编程实现以及如何使用等，让大家可以准确理解设计模式的思想，力求做到通俗易懂。

本篇为引导篇，在本篇中主要探讨一个问题：什么是设计模式，我们将会从设计模式的历史出发，抽丝剥茧地分析设计模式这个概念。

注：本系列文章不适合初学者，需要至少掌握一门面向对象语言（eg. C++\Java\Golang\C#…），并且本系列文章示例代码以C++为主，Java为辅（因为网络上的博客只要提到设计模式，一般都是Java，而C++的设计模式相对来说较少），本文章所有的源码都有C++和Java两个版本，源码见白晨的Gitee仓库，链接见下：

设计模式: 白晨博客专栏《设计模式》源码

设计模式概述

一、设计模式的历史

设计模式的概念最早起源于建筑领域。哈佛大学的建筑学博士克里斯托弗.亚历山大，是建筑学领域的模式之父。他与其研究团队用了约20年的时间，对住宅和周边环境进行了大量的调查研究，发现人们对舒适住宅和城市环境存在一些共同的认同规律，将它们归纳成253个模式。

所以，我们可以总结出模式的一个非常重要的特性：可复用是模式的精髓。

在1994年，由Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides四人合著出版了一本名为《Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software》（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素）的书，该书首次提到了软件开发中设计模式的概念。这四位作者合称GOF（四人帮，全拼 Gang of Four）。他们所提出的设计模式主要是基于以下的面向对象设计原则：对接口编程而不是对实现编程，优先使用对象组合而不是继承。

总体来说，设计模式就是从大型软件架构出发、便于升级和维护的软件设计思想，它强调降低依赖，降低耦合。

虽然GoF距离现在已有近30年的历史，部分设计模式也因为种种原因被时代所抛弃，但是GoF中的大部分的设计模式依然被广泛的使用，书中所提出的23种经典面向对象，创立了模式在软件设计中的地位。

虽然GoF提出的设计模式被默认为“面向对象的设计模式”，但是这并不意味着“设计模式”就等同于“面向对象的设计模式”。

二、理解面向对象

面向对象编程的三大特性是：封装、继承和多态。这些特性是面向对象编程的基础，它们使得代码更加模块化、可重用和可维护。

封装：封装是指将数据和基于数据的操作封装在一起，形成一个独立的实体。封装可以隐藏实现细节，使得代码模块化。良好的封装能够减少耦合，类内部的结构可以自由修改，可以对成员进行更精确的控制，隐藏信息，实现细节。

继承：继承是使用已存在的类的定义作为基础建立新类的技术。通过使用继承我们能够非常方便地复用以前的代码，能够大大提高开发的效率。继承所描述的是“is-a”的关系，如果有两个对象A和B，若可以描述为“A是B”，则可以表示A继承B。

多态：多态是指同一操作作用于不同的对象上面时，可以产生不同的解释和不同的执行结果。多态性分为编译时多态性和运行时多态性。编译时多态性又称为静态多态性，主要实现方式是函数重载和运算符重载；运行时多态性又称为动态多态性，主要实现方式是虚函数。

作为一名程序员我们应该懂得从编程底层，从微观角度去理解对象模型，常见的底层思维有：

语言构造
编译转换
内存模型
运行时机制

如果说向下的底层思维是一个程序员必修课，那么向上的抽象思维就是就是进化为一个优秀的程序员必备素养，什么是抽象思维呢？

简单地说，就是将我们周围的事物转化成为代码的能力。

举个例子，如果我们要将我们的学校抽象成代码，首先我们需要大致划分出学校中的人员：学生和老师；其次，要描述学校的建筑材料、建筑风格、具体布局；最后，要编写学校中的各种事件。

以上的过程，老师、学生这样的人员可以抽象为对象，学校的建材、建筑也可以抽象为对象，发生事件更不用说，为了方便管理和执行，得有个统一的对象模型将其组织起来。

对象抽象出来以后，要开始考虑如何实现这些对象，是每个对象都写一个对象模型，还是将其共同点提炼，具体实现一个对象时继承这个共同对象。

最后，要考虑代码的可维护性，因为学校总是要装修、扩建的，每年也都有毕业生和新生。如果代码设计不好，可维护性较差，就会出现牵一发而动全身的情况，明明是一点小改动，就要修改大部分代码，所以，选择合适的设计模式非常重要。

程序员常见的抽象思维有：

面向对象
组件封装
设计模式
架构模式

对于程序员来说，底层思维和抽象思维相互依存，共同决定一个程序员的上限。向下，要能深入理解三大面向对象机制：

封装，隐藏内部实现
继承，复用现有代码
多态，改写对象行为

向上，深刻把握面向对象机制所带来的抽象意义，理解如何使用这些机制来表达现实世界，掌握什么是“好的面向对象设计” 。

三、软件设计的复杂性

建筑商从来不会去想给一栋已建好的100层高的楼房底下再新修一个小地下室——这样做花费极大而且注定要失败。然而令人惊奇的是，软件系统的用户在要求作出类似改变时却不会仔细考虑，而且他们认为这只是需要简单编程的事。
——Object-Oriented Analysis and Designwith Applications

为什么软件设计会变得复杂？

根本原因是：

变化

无论是什么原因引起的，但是只要用户有需求，就会有功能上的变化，一旦要满足相应的功能，我们的代码就得跟着变化。

所以，我们应该如何解决由变化引起的复杂性呢？

首先，我们应该将大问题进行分解，分解为一个个小问题，也就是我们在编程中经常使用的——分而治之，将复杂问题分解为独立的简单问题。
其次，我们应该从更高的维度去观察这个问题，将其这个问题抽象成一类问题，抓住其本质特征，构建一个理想化或者说泛化的模型，通过解决这个泛化模型的问题，我们解决一类问题，这也是一种复用逻辑。

所以，软件设计的复杂性的一般性的解决方法为分解和抽象。

下面我们通过一个demo来理解上面内容，假设我们要维护一个桌面绘图软件，原代码见下（Java版本原代码点击跳转）：

MainForm.cpp：

class MainForm : public Form { // MainForm类，继承自Form类
private:
	Point p1; // 鼠标按下时的点
	Point p2; // 鼠标抬起时的点

	vector<Line> lineVector; // 存储所有线段的向量
	vector<Rect> rectVector; // 存储所有矩形的向量

public:
	MainForm(){ // 构造函数
		//...
	}
protected:
	virtual void OnMouseDown(const MouseEventArgs& e); // 鼠标按下事件处理函数
	virtual void OnMouseUp(const MouseEventArgs& e); // 鼠标抬起事件处理函数
	virtual void OnPaint(const PaintEventArgs& e); // 绘图事件处理函数
};

void MainForm::OnMouseDown(const MouseEventArgs& e){ // 鼠标按下事件处理函数实现
	p1.x = e.X; // 记录鼠标按下时的x坐标
	p1.y = e.Y; // 记录鼠标按下时的y坐标

	//...
	Form::OnMouseDown(e); // 调用父类的鼠标按下事件处理函数
}

void MainForm::OnMouseUp(const MouseEventArgs& e){ // 鼠标抬起事件处理函数实现
	p2.x = e.X; // 记录鼠标抬起时的x坐标
	p2.y = e.Y; // 记录鼠标抬起时的y坐标

	if (rdoLine.Checked){ // 如果选择了线段工具
		Line line(p1, p2); // 创建一个新的线段
		lineVector.push_back(line); // 将新线段添加到线段向量中
	}
	else if (rdoRect.Checked){ // 如果选择了矩形工具
		int width = abs(p2.x - p1.x); // 计算矩形宽度
		int height = abs(p2.y - p1.y); // 计算矩形高度
		Rect rect(p1, width, height); // 创建一个新的矩形
		rectVector.push_back(rect); // 将新矩形添加到矩形向量中
	}

	this->Refresh(); // 刷新窗体，触发绘图事件
	Form::OnMouseUp(e);  // 调用父类的鼠标抬起事件处理函数
}

void MainForm::OnPaint(const PaintEventArgs& e){  // 绘图事件处理函数实现

	for (int i = 0; i < lineVector.size(); i++){  // 遍历所有线段并绘制
		e.Graphics.DrawLine(Pens.Red,
			lineVector[i].start.x, 
			lineVector[i].start.y,
			lineVector[i].end.x,
			lineVector[i].end.y);
	}

	for (int i = 0; i < rectVector.size(); i++){  // 遍历所有矩形并绘制
		e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Red,
			rectVector[i].leftUp,
			rectVector[i].width,
			rectVector[i].height);
	}

	Form::OnPaint();  // 调用父类的绘图事件处理函数
}

Shape.h：

// 点类定义，包含x和y两个属性
class Point{
public:
	int x;
	int y;
};

// 直线类定义，包含起点和终点两个属性，并有构造函数初始化这两个属性
class Line{
public:
	Point start;
    Point end;

    // 直线类构造函数，初始化起点和终点属性
    Line(const Point& start, const Point& end){
        this->start = start;
        this->end = end;
    }
};

// 矩形类定义，包含左上角点、宽度和高度三个属性，并有构造函数初始化这三个属性
class Rect{
public:
	Point leftUp;
    int width;
	int height;

    // 矩形类构造函数，初始化左上角点、宽度和高度属性
    Rect(const Point& leftUp, int width, int height){
        this->leftUp = leftUp;
        this->width = width;
        this->height = height;
    }
};

下面是这段代码的主要执行逻辑：

MainForm类是主窗体类，继承自Form类。它有两个私有成员变量p1和p2，分别用于存储鼠标按下和抬起时的坐标。它还有两个向量成员变量lineVector和rectVector，分别用于存储所有的线段和矩形。
当鼠标按下时，会触发OnMouseDown事件处理函数。该函数会记录鼠标按下时的坐标（即点p1）。
当鼠标抬起时，会触发OnMouseUp事件处理函数。该函数会记录鼠标抬起时的坐标（即点p2），然后根据当前选择的工具（线段或矩形），创建相应的图形并添加到对应的向量中。
在鼠标抬起事件处理函数中，还会调用窗体的刷新方法（即this->Refresh()），这将触发绘图事件。
OnPaint是绘图事件处理函数。当窗体刷新时，会遍历所有的线段和矩形，并在窗体上绘制出来。
Point, Line, Rect是一些基础的图形类。其中，点类包含x和y两个属性；直线类包含起点和终点两个属性，并有构造函数初始化这两个属性；矩形类包含左上角点、宽度和高度三个属性，并有构造函数初始化这三个属性。

现在要在原本绘制图形的基础上添加一个绘制“圆形”的功能，

首先，应该在Shape.h中添加一个 圆类 ：

其次，要修改MainForm.cpp中的MainForm类，在其中添加一个存储所有圆形的数组：

再者，要修改MainForm.cpp中MainForm::OnMouseUp函数，添加圆形工具的检测，如果选择工具为圆形，添加此圆形到数组：

最后，要修改MainForm.cpp中的MainForm::OnPaint函数，添加圆形的绘制逻辑：

由上可见，我们为了添加一个圆形绘制功能，至少要修改四处地方，如果换成更加复杂的逻辑，其中牵扯的类和交互会变得更多，这就是由于变化所引起的软件设计的复杂性。

所以，我们要来降低软件设计的复杂性，首先，我们想到的是分解，但是分解面对现在的问题已经没有什么效果了，因为每个对象都已经解决一个小任务了，并且绘制功能也已经正常工作的，现在要面对的是维护和进一步开发的问题。

所以，我们现在需要抽象，也即重新构筑代码结构，使代码变得可维护性高、可拓展性高。

现在来观察一下原本的代码有什么问题：

见下图，MainForm依赖了一个经常变化的Shape.h，或者说MainForm依赖了图形类的具体实现，这样设计是非常差劲的，一旦在Shape.h添加新图像类，就必须更改MainForm中的多个成员，导致MainForm更改过于频繁，这是我们不想看到的，我们理想中的MainForm应该是长期可以不用修改，如果我们要增添绘制功能，应该只用在Shape.h中添加新类即可。

古代的大禹治水告诉了我们一个经验方法：堵不如疏。对于变化，如果变化遍布多个类之间，那么一旦发生变化，连带的所有类都必须修改，但是，我们可以将变化疏导到个别类中，使得变化只能影响个别类，而不能对多个类造成影响。

观察现在的依赖，MainForm是依赖于不稳定的Shape的，如果要让MainForm保持稳定，那么它必须依赖一个稳定的类。

什么类是稳定的呢？一种是长时间保持不变的类，另一种就是抽象类。长时间保持稳定的类在我们这个demo中是没有了，但是我们可以给Shape.h中的具体类抽象出一个父类Shape，让具体图形类全部继承这个Shape抽象类。

重构后的Shape.h：

class Shape{
public:
	virtual void Draw(const Graphics& g) = 0;  
	virtual ~Shape() { } 
};

class Point{
public:
	int x;
	int y;
};

class Line: public Shape{
public:
	Point start;
	Point end;

	Line(const Point& start, const Point& end){
		this->start = start;
		this->end = end;
	}

	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawLine(Pens.Red, 
			start.x, start.y,end.x, end.y);
	}

};

class Rect: public Shape{
public:
	Point leftUp;
	int width;
	int height;

	Rect(const Point& leftUp, int width, int height){
		this->leftUp = leftUp;
		this->width = width;
		this->height = height;
	}

	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawRectangle(Pens.Red,
			leftUp,width,height);
	}

};

//增加
class Circle : public Shape{
public:
	point center; 
    int radius; 

	Circle(const Point& center, int radius){
        this->center = center;
        this->radius = radius;
    }
	//实现自己的Draw，负责画自己
	virtual void Draw(const Graphics& g){
		g.DrawCircle(Pens.Red,
			center,
			radius);
	}
};

再来重构MainForm：

首先，将MainForm中的成员对象不能依赖具体类，应该依赖抽象类：

其次，MainForm::OnPaint不应该依赖于具体实现，应该让图像类自己绘制自己：

最后，还有MainForm::OnMouseUp依赖具体实现，如果要消除MainForm::OnMouseUp中的变化，可以使用我们后续文章所讲到的其他设计模式，这里先按下不表。
重构后的MainForm.cpp：

class MainForm : public Form {
private:
	Point p1;
	Point p2;
	//针对所有形状
	vector<Shape*> shapeVector;
public:
	MainForm(){
		//...
	}
protected:
	virtual void OnMouseDown(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnMouseUp(const MouseEventArgs& e);
	virtual void OnPaint(const PaintEventArgs& e);
};


void MainForm::OnMouseDown(const MouseEventArgs& e){
	p1.x = e.X;
	p1.y = e.Y;

	//...
	Form::OnMouseDown(e);
}

// 通过后续的学习也可以消除其变化，这里先按下不表
void MainForm::OnMouseUp(const MouseEventArgs& e){
	p2.x = e.X;
	p2.y = e.Y;

	if (rdoLine.Checked){
		shapeVector.push_back(new Line(p1,p2));
	}
	else if (rdoRect.Checked){
		int width = abs(p2.x - p1.x);
		int height = abs(p2.y - p1.y);
		shapeVector.push_back(new Rect(p1, width, height));
	}
	//改变
	else if (rdoCircle.checked){
		//...
		int radius = (int)sqrt(pow(p2.x - p1.x, 2) + pow(p2.y - p1.y, 2));
		shapeVector.push_back(new Circle(p1, radius));
	}

	//...
	this->Refresh();
	Form::OnMouseUp(e);
}

void MainForm::OnPaint(const PaintEventArgs& e){

	//针对所有形状
	for (int i = 0; i < shapeVector.size(); i++){

		shapeVector[i]->Draw(e.Graphics); //多态调用，各负其责
	}

	//...
	Form::OnPaint();
}