1.什么是设计模式
“每一个描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案。这样，你就能一次又一次地使用该方案而不必做重复劳动”。
——Christopher Alexander
设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。
使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。
我们在解决问题的时候，常常采取两种方式，一种是分解问题，另一种是抽象。
对于分解来说，其实就是分而治之，把大问题不断的划分为一个又一个的小问题，通过解决分解开的每一个小问题来解决整体的大问题。也就是不断的分工，各司其职来解决问题。
而抽象则属于更高的层次，从我们需要解决的问题出发，在与该问题相关的一组关联对象中提取出主要的或共有的部分――说简单一点，就是用相同的行为来操作不同的对象。
先来看看第一种方式解决问题的伪代码：
classPoint{
public:
intx;
inty;
};
classLine{
public:
Point start;
Point end;
Line(constPoint& start,constPoint& end){
this->start = start;
this->end = end;
}
};
classRect{
public:
Point leftUp;
intwidth;
intheight;
Rect(constPoint& leftUp,intwidth,intheight){
this->leftUp = leftUp;
this->width = width;
this->height = height;
}
};
//增加
classCircle{
};
classMainForm :publicForm {
private:
Point p1;
Point p2;
vector lineVector;
vector rectVector;
//改变
vector circleVector;
public:
MainForm(){
//...
}
protected:
virtualvoidOnMouseDown(constMouseEventArgs& e);
virtualvoidOnMouseUp(constMouseEventArgs& e);
virtualvoidOnPaint(constPaintEventArgs& e);
};
voidMainForm::OnMouseDown(constMouseEventArgs& e){
p1.x = e.X;
p1.y = e.Y;
//...
Form::OnMouseDown(e);
}
voidMainForm::OnMouseUp(constMouseEventArgs& e){
p2.x = e.X;
p2.y = e.Y;
if(rdoLine.Checked){
Line line(p1, p2);
lineVector.push_back(line);
}
elseif(rdoRect.Checked){
intwidth = abs(p2.x - p1.x);
intheight = abs(p2.y - p1.y);
Rect rect(p1, width, height);
rectVector.push_back(rect);
}
//改变
elseif(...){
//...
circleVector.push_back(circle);
}
//...
this->Refresh();
Form::OnMouseUp(e);
}
voidMainForm::OnPaint(constPaintEventArgs& e){
//针对直线
for(inti = 0; i < lineVector.size(); i++){
e.Graphics.DrawLine(Pens.Red,
lineVector[i].start.x,
lineVector[i].start.y,
lineVector[i].end.x,
lineVector[i].end.y);
}
//针对矩形
for(inti = 0; i < rectVector.size(); i++){
e.Graphics.DrawRectangle(Pens.Red,
rectVector[i].leftUp,
rectVector[i].width,
rectVector[i].height);
}
//改变
//针对圆形
for(inti = 0; i < circleVector.size(); i++){
e.Graphics.DrawCircle(Pens.Red,
circleVector[i]);
}
//...
Form::OnPaint(e);
}
上面的伪代码可以用来解决点、直线和矩形的绘制，但是遇到绘制其他图形的时候就会遇到问题，必须对原伪代码进行繁琐的修改，具体修改不再进行。
如果使用另外一种方法，抽象的设计思路时，这个问题就会迎刃而解，伪代码如下：
lass Shape{
public:
virtualvoidDraw(constGraphics& g)=0;
virtual~Shape() { }
};
classPoint{
public:
intx;
inty;
};
classLine:publicShape{
public:
Point start;
Point end;
Line(constPoint& start,constPoint& end){
this->start = start;
this->end = end;
}
//实现自己的Draw，负责画自己
virtualvoidDraw(constGraphics& g){
g.DrawLine(Pens.Red,
start.x, start.y,end.x, end.y);
}
};
classRect:publicShape{
public:
Point leftUp;
intwidth;
intheight;
Rect(constPoint& leftUp,intwidth,intheight){
this->leftUp = leftUp;
this->width = width;
this->height = height;
}
//实现自己的Draw，负责画自己
virtualvoidDraw(constGraphics& g){
g.DrawRectangle(Pens.Red,
leftUp,width,height);
}
};
classMainForm :publicForm {
private:
Point p1;
Point p2;
//针对所有形状
vector shapeVector;
public:
MainForm(){
//...
}
protected:
virtualvoidOnMouseDown(constMouseEventArgs& e);
virtualvoidOnMouseUp(constMouseEventArgs& e);
virtualvoidOnPaint(constPaintEventArgs& e);
};
voidMainForm::OnMouseDown(constMouseEventArgs& e){
p1.x = e.X;
p1.y = e.Y;
//...
Form::OnMouseDown(e);
}
voidMainForm::OnMouseUp(constMouseEventArgs& e){
p2.x = e.X;
p2.y = e.Y;
if(rdoLine.Checked){
shapeVector.push_back(newLine(p1,p2));
}
elseif(rdoRect.Checked){
intwidth = abs(p2.x - p1.x);
intheight = abs(p2.y - p1.y);
shapeVector.push_back(newRect(p1, width, height));
}
elseif(...){
//...
shapeVector.push_back(circle);
}
//...
this->Refresh();
Form::OnMouseUp(e);
}
voidMainForm::OnPaint(constPaintEventArgs& e){
//针对所有形状
for(inti = 0; i < shapeVector.size(); i++){
shapeVector[i]->Draw(e.Graphics);//多态调用，各负其责
}
//...
Form::OnPaint(e);
}
从上面的伪代码可以看出，对每个形状增加了一个共同的父类Shape，同时在父类中定义了纯虚函数Draw，使得在多态调用的时候每个子类可以按照自己的方式来实现Draw函数。而界面类MainForm变成只需管理Shape的指针，不再是某个具体的对象，实现了向上抽象的管理。
如果这时候我们增加一个圆形的画法，那么我们只需在class Rect后面增加以下代码：
classCircle :publicShape{
public:
//实现自己的Draw，负责画自己
virtualvoidDraw(constGraphics& g){
g.DrawCircle(Pens.Red,
...);
}
};
通过以上的代码可以看出，当我们使用抽象思维对代码进行设计的时候，使得代码的变更更加容易，代码的复用性得到了提升，它是通过面向对象中的继承和多态性来实现。
作为一名程序员或者说是未来的程序员，抽象思维非常重要，甚至在某种程度上比底层思维更加重要，它在C++程序设计中主要包括以下几个部分：面向对象，组件封装，设计模式，架构模式。
软件设计复杂的根本原因是因为它会遇到各种各样的变化：客户需求变化，技术平台变化，开发团队变化，市场环境变化等等。
抽象思维的最大特点是复用性，也就可以抵御这些变化。在1中我们谈到面向对象是抽象思维实现的基础，先让我们重新认识面向对象：
为了确保设计出来地系统具有抽象思维的特性，面向对象设计中提出了一系列的基本原则作为设计的思想。
（1）依赖倒置原则（DIP）
高层模块(稳定)不应该依赖于低层模块(变化)，二者都应该依赖于抽象(稳定)。
抽象(稳定)不应该依赖于实现细节(变化)，实现细节应该依赖于抽象(稳定)。
（2）开放封闭原则（OCP）
对扩展开放，对更改封闭
模块应该是可扩展的，但是不可修改
（3）单一指责原则（SRP）
一个类应该仅有一个引起它变化的原因
变化的方向隐含着类的责任
（4）Liskov替换原则（LSP）
子类必须能够替换他们的基类（is-a）
集成表达抽血类型
（5）接口隔离原则（ISP）
不应该强迫客户程序依赖他们不用的方法
接口应该小而完备
（6）优先使用对象组合，而不是类继承
类继承通常为“白盒复用”，对象组合通常为“黑箱复用”
继承在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高
而对象组合则只要求被组合的对象具有良好定义的接口，耦合度低
（7）封装变化点
使用封装来创建对象之间的分界层，让设计者可以在分界层的一侧进行修改，而不会对另一侧产生不良的影响，从而实现层次间的松耦合
（8）针对接口编程，而不是针对实现编程
不讲变量类型声明为某个特定的具体类，而是声明为某个接口
客户程序无需获知对象的具体类型，只需要知道对象所具有的接口
减少系统中个部分的依赖关系，从而实现“高内聚、松耦合”的类型设计方案
产业强盛的标志：接口的标准化
GOF-23模式分类
（1）从目的来看
创建型（Creational）模式：将对象，从而对应需求变化为对象创建时具体类型的实现引来的冲击。
结构型（Structural）模式：通过类继承或者对象组合的方式来获得更灵活的结构，从而应对需求变化为对象的结构带来的冲击
行为型（Behavioral）模式：通过类继承或者对象组合的方式，来划分类与对象的指责，从而应对需求变化为多个交互的对象带来的冲击。
（2）从范围来看
类模式处理类与子类的静态关系
对象模式处理对象间的动态关系
从封装变化角度对模式分类
通过重构获得模式，我们来正确使用对应的设计模式。
推荐图书：重构-改善既有代码的设计、重构与模式。
重构关键技法：
静态绑定→动态绑定
早绑定→晚绑定
继承关系→组合关系
编译时依赖→运行时依赖
紧耦合→松耦合
“组件协作”模式：
现代软件专业分工之后的第一个结果是“框架与应用程序的划分”，“组件协作”模式通过晚期绑定，来实现框架与应用程序之间的松耦合，是二者之间协作时常用的模式。
典型模式：Template Method、Strategy、 Observer / Event。
动机（Motivation）
在软件构建过程中，对于某一项任务，它常常有稳定的整体操作结构，但各个子步骤却有很大改变的需求，或者由于固有的原因（比如框架与应用之间的关系）而无法和任务的整体结构同时实现。
如何在确定稳定操作结构额前提下，来灵活应对各个子步骤的变化或者晚期实现需求？
下面以具体的代码为例进行学习，见代码3.1.1：
代码3.1.1
//程序库开发人员
classLibrary{
public:
voidStep1(){
//...
}
voidStep3(){
//...
}
voidStep5(){
//...
}
};
//应用程序开发人员
classApplication{
public:
boolStep2(){
//...
}
voidStep4(){
//...
}
};
intmain()
{
Library lib();
Application app();
lib.Step1();
if(app.Step2()){
lib.Step3();
}
for(inti = 0; i < 4; i++){
app.Step4();
}
lib.Step5();
}
上述代码
Library开发人员需要开发1、3、5三个步骤，Application开发人员开发2、4两个步骤和程序主流程。这种通过应用端对流程框架进行调用的方式，称之为早绑定。
上述代码如何在确定稳定操作结构额前提下，来灵活应对各个子步骤的变化或者晚期实现需求呢？
请看3.1.2代码
代码3.1.2
//程序库开发人员
classLibrary{
public:
//稳定 template method
voidRun(){
Step1();
if(Step2()) {//支持变化 ==> 虚函数的多态调用
Step3();
}
for(inti = 0; i < 4; i++){
Step4();//支持变化 ==> 虚函数的多态调用
}
Step5();
}
virtual~Library(){ }
protected:
voidStep1() {//稳定
//.....
}
voidStep3() {//稳定
//.....
}
voidStep5() {//稳定
//.....
}
virtualboolStep2() = 0;//变化
virtualvoidStep4() =0;//变化
};
//应用程序开发人员
classApplication :publicLibrary {
protected:
virtualboolStep2(){
//... 子类重写实现
}
virtualvoidStep4() {
//... 子类重写实现
}
};
intmain()
{
Library* pLib=newApplication();
lib->Run();
deletepLib;
}
}
上述代码在3.1.1的基础上做修改后，Library开发人员需要开发1、3、5三个步骤和程序主流程，Application开发人员只需开发2、4两个步骤。这种将流程放入开发库，由库开发者开发，提供给应用程序开发者调用的方法，称之为晚绑定。
在代码3.1.1中，存在以下两个问题：
第一，对应用程序开发人员来说，需要自己开发其中的2、4两个步骤，要求比较高，需要对库中的函数情况比较了解，而且重写的两个函数的难度也相对较大。
第二，库开发人员和应用程序开发人员开发的内容的耦合度很高，需要由用开发人员来组织整体调用流程，未来程序的扩展性和可维护性的难度都比较大。
而在代码3.1.2中，库开发人员对开发库进行了重构，增加量两个虚函数，定义了一个run函数，将之前的主流程放入，从而使流程稳定。同时库开发者不知道应用程序开发者会如何设计2、4步骤，因此将其定义为虚函数。
应用程序开发者只需在子类中重新定义这两个虚函数即可，不需要再去考虑整个流程的实现，有效的降低了开发难度。
模式定义
定义一个操作中的算法的骨架（稳定），而将一些步骤延迟（变化）到子类中。Template Method 使得子类可以在不改变（复用）一个算法的结构即可重新定义（Override 重写）该算法的某些特定步骤。
——《设计模式》GoF
结构（Structure）
要点总结
Template Method 是一种非常基础性的设计模式，在面向对象的系统中，有着大量的应用。他用最简洁的机制（虚函数的多态性）为很多应用程序的框架提供了灵活的扩展点，是代码复用方面的基本实现结构。
除了可以灵活对应子步骤的变化外，“不要调用我，让我来调用你”的反向控制结构是 Template Method 的典型应用。
在具体实现方面，被 Template Method 调用的虚方法可以具有实现，也可以没有任何实现（抽象方法、纯虚方法），一般推荐将他们设置为 Protected 方法。
