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设计模式 - 结构型模式_外观模式

概述

外观设计模式（Facade Pattern）是一种常见的结构型设计模式，它的主要目的是简化复杂系统的使用。可以把它想象成一个“控制面板”或者“遥控器”，通过这个控制面板，用户可以轻松操作一个复杂的系统，而不需要关心系统内部是如何运作的。

举个生活中的例子 ， 想象一下，你家有一台多功能的家电，比如一台智能电视，它不仅能看电视，还能上网、播放视频、控制智能家居等等。对于电视的操作，你有遥控器，可以通过一些按钮控制各种功能。

• 复杂系统：电视内部的各种硬件（显示屏、网络模块、声音系统、处理器等）和软件（操作系统、应用程序等）。
• 外观模式：遥控器，它将所有复杂的操作集中在几个按钮上，用户只需要按下遥控器上的某个按钮（比如“开机”或“返回主屏幕”），就能触发一系列复杂的操作，而不需要了解电视内部的具体工作原理。

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在编程中，外观模式是如何工作的？

外观模式通过为复杂系统提供一个简洁的接口，将复杂的子系统操作封装在一个统一的外观类（Facade）中。使用者只需要与外观类交互，而不需要关心具体的实现细节。

例如，一个复杂系统涉及多个子模块，如果没有外观模式，用户（或程序）在调用时，可能需要依次与每个子模块进行交互，调用很多方法，导致代码非常复杂。通过外观模式，我们可以将这些操作封装成一个简单的方法调用，用户只需要调用外观类的方法即可。

外观模式的好处

1. 简化接口：将复杂的系统封装起来，提供一个简单易懂的接口，减少了调用者的复杂度。
2. 降低耦合度：外部系统不需要直接依赖复杂的子系统，只需要依赖外观类，减少了系统间的依赖。
3. 提高可维护性：如果系统的内部实现发生变化，外观类的接口不变，调用者不需要修改任何代码。
4. 方便扩展：新的子系统可以轻松集成，只需要修改外观类，不影响其他部分。

外观设计模式的核心思想就是 简化接口，隐藏复杂性。它提供了一个高层次的接口，简化了系统的使用，减少了客户端与复杂子系统之间的耦合度。这种模式非常适用于需要简化复杂系统、减少外部依赖的场景。

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外观设计模式 UML 类图

外观设计模式的 UML 图 主要展示了外观类（Facade）如何通过统一的接口与多个子系统进行交互，并为客户端提供简化的接口

• Client（客户端）：客户端通过调用外观类（Facade）的方法来与子系统进行交互，客户端只需要关注外观类提供的简单接口，而不需要直接操作复杂的子系统。

• Facade（外观类）：外观类提供了一个统一的接口（如 operation()），将复杂的操作委托给不同的子系统。客户端通过调用外观类的方法来简化与多个子系统的交互。

• Subsystem1, Subsystem2, Subsystem3（子系统类）：这些类代表系统中的各个子模块，每个子系统类都有自己复杂的逻辑方法（如 method1()、method2()、method3()），但是客户端不直接调用它们，而是通过外观类来与之交互。

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外观类和子系统的关系

• 外观类通过 组合（subsystem1, subsystem2, subsystem3）的方式持有多个子系统的实例。
• 外观类的方法（例如 operation()）在内部调用不同子系统的方法，客户端只需要调用外观类提供的简单接口，而不需要直接与多个子系统交互。

优点

• 简化接口：客户端通过外观类，避免了直接与多个复杂的子系统打交道。
• 降低耦合度：客户端与多个子系统之间的耦合减少，客户端只与外观类交互，而不需要关心子系统的具体实现。
• 增强可维护性：如果子系统的实现发生了变化，客户端无需改动，只需要修改外观类的实现即可。

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案例

在构建大型系统时，业务逻辑通常分散在不同的层次之间，涉及多个功能模块，这些模块之间相互依赖，彼此交织，难以快速理解与维护。例如，一个典型的 在线旅游预订系统，其预订流程可能涉及到如下多个子系统或功能模块：

• 航班查询：根据用户输入的起点、终点和日期查询可用航班。
• 酒店预定：查询目标地点的酒店并为用户提供预定选项。
• 旅游套餐推荐：根据用户偏好推荐相关旅游套餐。
• 支付接口对接：与第三方支付接口对接完成支付。

这些环节需要在多个服务、多个方法之间传递数据与控制流。假设需求有所变动，新增了一个业务流程或修改了现有流程，往往需要在不同的层次之间修改代码，甚至可能会影响到系统的其他部分。

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外观模式在复杂业务中的应用

外观模式（Facade Pattern） 是一种结构型设计模式，它提供了一个统一的接口，来访问子系统中的一组接口。外观模式通过为复杂子系统提供一个简单的接口，隐藏了系统的复杂性，使得外部调用者只需要关注简洁明了的接口，而不必关心其内部复杂的实现细节。简言之，外观模式就是在复杂的业务子系统上加一个“控制面板”（外观类），通过简单的按钮（外观类的方法）控制复杂的“机器”运转。

在一个典型的 在线旅游预订系统 中，预订业务涉及到多个子系统和服务。通过外观模式，我们可以将所有涉及的业务逻辑统一封装在一个外观类中，而上层业务只需要与该外观类交互即可，无需关心其内部的实现细节。

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实战运用

以下代码简化了复杂的业务逻辑，重点体会

1. 项目搭建与基础配置

首先，创建一个 Spring Boot 项目，加入必要的依赖：

<dependencies>
    <!-- Spring Boot Starter Web -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>

    <!-- Spring Boot Starter Data JPA -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId>
    </dependency>

    <!-- H2 Database (for simplicity) -->
    <dependency>
        <groupId>com.h2database</groupId>
        <artifactId>h2</artifactId>
        <scope>runtime</scope>
    </dependency>
</dependencies>

然后，我们创建相应的实体类，例如 Flight、Hotel 和 Package，并为它们创建相应的 Repository 接口：

@Entity
public class Flight {
    @Id
    private Long id;
    private String flightNumber;
    private String departure;
    private String arrival;
    // Getters and Setters
}

@Repository
public interface FlightRepository extends JpaRepository<Flight, Long> {
}

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2. 构建子系统组件

在旅游系统中，涉及到多个子系统服务，例如航班查询、酒店预定、旅游套餐推荐等。我们为这些子系统服务创建相应的组件类：

航班服务

@Service
public class FlightService {

    public List<Flight> findAvailableFlights(String departure, String arrival, LocalDate date) {
        // 实际查询数据库或调用外部航班API，此处简化逻辑
        System.out.println("查询航班：" + departure + " 到 " + arrival + "，日期：" + date);
        return List.of(new Flight(1L, "AA123", departure, arrival));
    }
}

酒店服务

@Service
public class HotelService {

    public List<Hotel> findAvailableHotels(String location, LocalDate checkInDate, LocalDate checkOutDate) {
        // 查询酒店信息
        System.out.println("查询酒店：" + location + "，入住：" + checkInDate + "，退房：" + checkOutDate);
        return List.of(new Hotel(1L, "Hotel California", location));
    }
}

旅游套餐服务

@Service
public class PackageService {

    public List<TourPackage> recommendPackages(String destination) {
        // 推荐套餐
        System.out.println("推荐旅游套餐：" + destination);
        return List.of(new TourPackage(1L, "Paris Special", destination));
    }
}

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3. 创建外观类

接下来，我们创建一个 BookingFacade 类，将多个子系统的功能集中封装在一个外观类中：

@Service
public class BookingFacade {

    private final FlightService flightService;
    private final HotelService hotelService;
    private final PackageService packageService;

    public BookingFacade(FlightService flightService, HotelService hotelService, PackageService packageService) {
        this.flightService = flightService;
        this.hotelService = hotelService;
        this.packageService = packageService;
    }

    public boolean bookTravel(String departure, String arrival, LocalDate flightDate,
                               String hotelLocation, LocalDate checkIn, LocalDate checkOut,
                               String destination) {

        // 查询航班
        List<Flight> flights = flightService.findAvailableFlights(departure, arrival, flightDate);
        if (flights.isEmpty()) {
            return false;
        }

        // 查询酒店
        List<Hotel> hotels = hotelService.findAvailableHotels(hotelLocation, checkIn, checkOut);
        if (hotels.isEmpty()) {
            return false;
        }

        // 推荐旅游套餐
        List<TourPackage> packages = packageService.recommendPackages(destination);
        if (packages.isEmpty()) {
            return false;
        }

        return true;
    }
}

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4. 在 Controller 中使用外观类

在 Spring Boot 的 Controller 层中，我们可以直接使用 BookingFacade 来简化业务逻辑的调用：

@RestController
@RequestMapping("/bookings")
public class BookingController {

    private final BookingFacade bookingFacade;

    public BookingController(BookingFacade bookingFacade) {
        this.bookingFacade = bookingFacade;
    }

    @PostMapping
    public ResponseEntity<String> bookTravel(@RequestBody TravelRequest travelRequest) {
        boolean success = bookingFacade.bookTravel(travelRequest.getDeparture(),
                                                  travelRequest.getArrival(),
                                                  travelRequest.getFlightDate(),
                                                  travelRequest.getHotelLocation(),
                                                  travelRequest.getCheckIn(),
                                                  travelRequest.getCheckOut(),
                                                  travelRequest.getDestination());
        if (success) {
            return ResponseEntity.ok("旅游预定成功");
        }
        return ResponseEntity.badRequest().body("旅游预定失败");
    }
}

通过以上设计，BookingController 只需要关注如何处理用户请求，而具体的业务逻辑（如航班查询、酒店预定、套餐推荐）都已经被封装在 BookingFacade 类中。无论如何修改或扩展预定业务，我们只需要在外观类中进行修改，其他地方的代码不需要做任何变动。

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小结

外观模式为系统提供了统一且简洁的接口，同时隐藏了底层复杂的业务逻辑。而 Spring Boot 强大的依赖注入（DI）特性，使得各个服务的整合变得更加灵活与易于管理。

通过这种设计方式，我们能够：

• 降低代码耦合度：将复杂的子系统封装起来，暴露简单的接口，降低了不同模块之间的依赖关系。
• 提升代码可维护性：对于新增需求或业务变更，我们只需要在外观类中进行修改，而不用在多个地方重复修改。
• 增强开发效率：业务逻辑的模块化和统一化，使得开发人员能更加专注于业务实现，而不是处理复杂的交互关系。