设计模式 | 详解设计模式的七大原则

一、设计模式的目的

编写软件的过程中，程序员面临着来自耦合性，内聚性以及可维护性，可扩展性，重用性，灵活性等多方面的挑战，设计模式是为了让程序具有更好的：

  • 代码重用性（即相同功能的代码，不用多次编写）
  • 可读性（即编程规范性，便于其他程序员的阅读和理解）
  • 可扩展性（即当需要增加新功能时，非常方便，称为可维护）
  • 可靠性（即当我们增加新的功能后，对原来的功能没有影响）
  • 使程序呈现高内聚，低耦合的特性

二、设计模式七大原则

设计模式的七大原则有：

  • 单一职责原则
  • 接口隔离原则
  • 依赖倒转原则
  • 里氏替换原则
  • 开闭原则
  • 迪米特法则
  • 合成复用原则

1、单一职责原则

概念：对类来说，即一个类应该只负责一项职责。

如类A负责两个不同职责：职责1、职责2。当职责1需求变更而改变A类时，可能造成职责2执行错误，因此要将类A的粒度分解为A1、A2。

单一职责原则的注意事项

  • 降低类的复杂性，一个类只负责一项职责
  • 提高类的可读性，可维护性
  • 降低变更引起的风险
  • 通常情况下，我们应当遵守单一职责原则，只有逻辑足够简单，才可以在代码级违反单一职责原则（只有类中方法数量足够少，才可以在方法级别保持单一职责原则。即把“降低类的复杂性”同个分解为多个方法来实现）。

2、接口隔离原则

概念：客户端不应该依赖它不需要的接口，即一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

通俗一点来说就是一个类通过接口去依赖另一个类时，这个接口不应该存在太多多余的方法。可以将大的接口拆分成多个小的接口。

示例

我们现在有一个接口，接口里面有五个方法，然后有一个类B和类D分别实现了该接口。然后类A和类C分别通过这个接口去依赖类B和类D，但是他们只会用到接口的部分方法，第一种写法如下：

package com.cxc.principle.segregation;

/**
 * 实现：类B和类D分别去实现接口1
 *      然后类A通过接口1依赖类B（使用了1,2,3方法）
 *      类C通过接口1依赖类D（使用了1,4,5方法）
 */
public class Segregation1 {

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.depend1(new B()); //类A通过接口去依赖类B
    }
}

/**
 * 接口1
 */
interface Interface1{
    void operation1();
    void operation2();
    void operation3();
    void operation4();
    void operation5();
}

class B implements Interface1{
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B 实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B 实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B 实现了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("B 实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("B 实现了operation5");
    }
}

class D implements Interface1{
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D 实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("D 实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("D 实现了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D 实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D 实现了operation5");
    }
}

/**
 * A类通过Interface1依赖B类，但是只会用到1,2,3方法
 */
class A{
    public void depend1(Interface1 i){
        i.operation1();
    }
    public void depend2(Interface1 i){
        i.operation2();
    }
    public void depend3(Interface1 i){
        i.operation3();
    }
}
/**
 * C类通过Interface1依赖D类，但是只会用到1,4,5方法
 */
class C{
    public void depend1(Interface1 i){
        i.operation1();
    }
    public void depend4(Interface1 i){
        i.operation4();
    }
    public void depend5(Interface1 i){
        i.operation5();
    }
}

上面这种代码实现的话，就不符合我们的接口隔离原则，接口隔离原则中强调我们要将接口依赖降低到最小接口，而不论是类A还是类C，依赖时都并没有使用到接口的全部方法。

因此我们要进行改进，将大接口分解成小接口，在此我们将接口1分为接口1，接口2和接口3：

interface Interface1{
    void operation1();
}
interface Interface2{
    void operation2();
    void operation3();
}
interface Interface3{
    void operation4();
    void operation5();
}

改进后的实现如下：

package com.cxc.principle.segregation.improve;

public class Segregation1 {

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.depend1(new B()); //A类通过接口去依赖B类
        a.depend2(new B());
        a.depend3(new B());

        C c = new C();
        c.depend1(new D());
        c.depend4(new D());
        c.depend5(new D());
    }
}

interface Interface1{
    void operation1();
}

interface Interface2{
    void operation2();
    void operation3();
}

interface Interface3{
    void operation4();
    void operation5();
}

class B implements Interface1,Interface2 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B 实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B 实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B 实现了operation3");
    }

}

class D implements Interface1,Interface3 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D 实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D 实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D 实现了operation5");
    }
}

/**
 * A类通过Interface1依赖B类，但是只会用到1,2,3方法
 */
class A{
    public void depend1(Interface1 i){
        i.operation1();
    }
    public void depend2(Interface2 i){
        i.operation2();
    }
    public void depend3(Interface2 i){
        i.operation3();
    }
}

/**
 * C类通过Interface1依赖D类，但是只会用到1,4,5方法
 */
class C{
    public void depend1(Interface1 i){
        i.operation1();
    }
    public void depend4(Interface3 i){
        i.operation4();
    }
    public void depend5(Interface3 i){
        i.operation5();
    }
}

这样实现就遵守了接口隔离原则，使依赖接口降低到最小接口。

3、依赖倒转原则

依赖倒转原则是指：

  • 高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象
  • 抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象
  • 依赖倒转的中心思想是面向接口编程
  • 依赖倒转原则是基于这样的设计理念：相对于细节的多变性，抽象的东西要稳定得多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定得多。在Java中，抽象指的是接口或抽象类，细节就是具体的实现类
  • 使用接口或抽象类的目的就是制定好规范，而不涉及任何具体的操作，把具体细节的任务交给他们的实现类去完成

依赖倒转原则的注意事项和细节

  • 低层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有，程序稳定性更好
  • 变量的声明类型尽量是抽象类或接口，这样我们的变量引用和实际对象间，就存在一个缓冲层，利于程序扩展和优化
  • 继承时遵循里氏替换原则

依赖关系传递的三种方式

  • 接口传递
  • 构造方法传递
  • setter方式传递

示例

我们要实现一个简单的用户接收消息的功能

package com.cxc.principle.inversion;
/**
 * 方式1问题
 *      1.简单，比较容易想到
 *      2.如果我们获取的对象是微信，短信等，则需要新增类，同时Person也要增加响应的接收方法
 *      3.解决思路：引入一个抽象的接口IReceiver，表示接收者，这样Person类与接口发现依赖。
 *                 因为Email，Weixin都属于接收的范围，他们各自实现IReceiver接口就可以了，就符合了依赖倒转原则
 */
public class DependecyInversion {
    public static void main(String[] args) {
        new Person().receive(new Email());
    }
}
class Email{
    public String getInfo(){
        return "电子邮件信息：hello,world";
    }
}

//完成person接受消息的功能
class Person{
    public void receive(Email email){
        System.out.println(email.getInfo());
    }
}

上述方式中，在Person类的接收消息方法中，直接传入了一个Email类，这样的话如果以后有其他方式比如微信、短信等消息方式还需要多写几个方法。不符合依赖倒转原则，我们可以作如下更改：将这个类替换为一个接口，实现如下：

package com.cxc.principle.inversion.improve;
public class DependecyInversion {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        person.receive(new Email());
        person.receive(new WeiXin());
    }
}
/**
 * 接口
 */
interface IReceiver{
    public String getInfo();
}

/**
 * 实现类1
 */
class Email implements IReceiver{
    public String getInfo(){
        return "电子邮件信息：hello,world";
    }
}

/**
 * 实现类2
 */
class WeiXin implements IReceiver{
    @Override
    public String getInfo() {
        return "微信消息：hello,ok";
    }
}
//完成person接受消息的功能
class Person{
    public void receive(IReceiver receiver){
        System.out.println(receiver.getInfo());
    }
}

4、里氏替换原则

OO中的继承性的思考和说明

  • 继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法，实际上是在设定规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约，但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。
  • 继承在给程序设计带来便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低，增加对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障。

里氏替换原则

  • 如果对每个类型为T1的对象o1，都有类型为T2的对象o2，使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都代换成o2时，程序P的行为没有发生变化，那么类型T2是类型T1的子类型。换句话说，所有引用基类的地方必须能透明的使用其子类的对象。
  • 在使用继承时，遵循里氏替换原则，在子类中尽量不要重写父类的方法。
  • 里氏替换原则告诉我们，继承实际上让两个类耦合性增强了，在适当的情况下，可以通过聚合，组合，依赖来解决问题。
  • 我们可以让原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖，聚合，组合灯关系代替。

5、开闭原则

  • 开闭原则是编程中最基础、最重要的设计原则。
  • 一个软件实体如类，模块和函数应该对外扩展开放（对提供方），对修改关闭（对使用方）。用抽象构建框架，用实现扩展细节。
  • 当软件需要变化时，尽量通过扩展软件实体的行为来实现变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化。
  • 编程中遵循其它原则，以及使用涉及模式的目的就是遵循开闭原则。

示例

有一个画图类如下：

package com.cxc.principle.ocp;

public class Ocp {

    public static void main(String[] args) {
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
        graphicEditor.drawShape(new Triangle());
    }

}
class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape s) {
        if (s.m_type == 1)
            drawRectangle(s);
        else if (s.m_type == 2)
            drawCircle(s);
        else if (s.m_type == 3)
            drawTriangle(s);
    }

    //三角形
    public void drawRectangle(Shape r) {
        System.out.println("三角形 ");
    }
    //圆形
    public void drawCircle(Shape r) {
        System.out.println(" 圆形 ");
    }
    //矩形
    public void drawTriangle(Shape r) {
        System.out.println(" 矩形 ");
    }
}

class Shape {
    int m_type;
}
class Rectangle extends Shape {
    Rectangle() {
        super.m_type = 1;
    }
}
class Circle extends Shape {
    Circle() {
        super.m_type = 2;
    }
}
class Triangle extends Shape {
    Triangle() {
        super.m_type = 3;
    }
}

上述例子中，如果要新增一个其他的图形类，那么在GraphicEditor类中也要更改代码来加上掉这个图形类的处理，不满足开闭原则。因此我们应该修改为：把Shape做成抽象类，并提供一个抽象的draw方法，让子类去实现：

package com.cxc.principle.ocp.improve;
public class Ocp {
    public static void main(String[] args) {

        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
        graphicEditor.drawShape(new Triangle());
        graphicEditor.drawShape(new OtherGraphic());
    }
}
class GraphicEditor {
    public void drawShape(Shape s) {
        s.draw();
    }
    
}

//抽象类
abstract class Shape {
    int m_type;
    
    public abstract void draw();
}

class Rectangle extends Shape {
    Rectangle() {
        super.m_type = 1;
    }

    @Override
    public void draw() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(" 三角形 ");
    }
}

class Circle extends Shape {
    Circle() {
        super.m_type = 2;
    }
    @Override
    public void draw() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(" 圆形 ");
    }
}


class Triangle extends Shape {
    Triangle() {
        super.m_type = 3;
    }
    @Override
    public void draw() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(" 矩形 ");
    }
}
class OtherGraphic extends Shape {
    OtherGraphic() {
        super.m_type = 4;
    }

    @Override
    public void draw() {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println(" 其他图形 ");
    }
}

改进后，如果想加入其他图形类，直接继承抽象类然后实现抽象方法即可，不用去更改抽象类。做到了对外扩展开放（对提供方），对修改关闭（对使用方）

6、迪米特法则

  • 一个对象应该对其他对象保持最少的了解
  • 类与类关系越密切，耦合度越大
  • 迪米特法则又叫最少知道原则，即一个类对自己依赖的类知道的越少越好，也就是说，对于被依赖的类不管多么复杂，都尽量将逻辑封装在类的内部，对外除了提供的public方法，不对外泄露任何信息
  • 迪米特法则还有个更简单的定义：只与直接的朋友通信
  • 直接的朋友：每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系，耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。其中，我们称出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类为直接的朋友，而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要以全局变量的形式出现在类的内部。

示例

有一个学校，下属有各个学院和总部，现要求打印出学校总部员工id和学院员工id。

package com.cxc.principle.demeter;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Demeter1 {

    public static void main(String[] args) {
        SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
        schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());

    }

}
//学校总部员工类
class Employee {
    private String id;

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}
//学院员工
class CollegeEmployee {
    private String id;

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }

    public String getId() {
        return id;
    }
}

//管理学院员工的管理类
class CollegeManager {
    //返回学院的所有员工
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("学院员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }
}

//学校管理类
//分析 SchoolManager的直接朋友： Employee、CollegeManager
//CollegeEmployee 不是直接朋友，这样违背了迪米特法则
class SchoolManager {
    //返回学校总部的员工
    public List<Employee> getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();
        
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("学校总部的员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //输入学校员工和学院员工信息
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        
        //分析问题
        //1. 这里的 CollegeEmployee 不是  SchoolManager的直接朋友
        //2. CollegeEmployee 是以局部变量方式出现在 SchoolManager
        //3. 违反了迪米特法则
        
        //获取到学院员工
        List<CollegeEmployee> list1 = sub.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
        //获取到学校总部员工
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学校总部员工------------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

上述示例违反了迪米特法则，那么应该如何改进呢？
将printAllEmployee方法里面输出学院员工的代码封装到学院员工管理类CollegeManager中：

//管理学院员工的管理类
class CollegeManager {
    //返回学院的所有员工
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("学院员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //输出学院员工的信息
    public void printEmployee(){
        List<CollegeEmployee> list1 = getAllEmployee();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

对应的printAllEmployee方法调用我们封装的方法即可：

//输入学校员工和学院员工信息
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        //输出学院的员工
        sub.printEmployee();

        //获取到学校总部员工
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学校总部员工------------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }

迪米特法则注意事项和细节

  • 迪米特法则的核心是降低类之间的耦合
  • 但是注意：由于每个类都减少了不必要的依赖，因此迪米特法则只是要求降低类间（对象间）的耦合关系，并不是要求完全没有依赖关系

7、合成复用原则

  • 原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承



    上图中的1就是使用继承，这样就会增强类的耦合性，而2,3,4使用的是组合/合成/聚合的方式，这样就可以降低类的耦合性。

设计原则核心思想

其实归结到底就是要注意以下几点：

  • 找出应用中可能需要变化之处，把他们独立出来
  • 针对接口编程，而不是针对实现编程
  • 为了交互对象之间的松耦合设计而努力
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
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