软件设计师考试 | 第七章 面向对象技术 | 设计模式
（一）设计模式的要素
设计模式的核心在于提供了相关问题的解决方案，使得人们可以更加简单方便地复用成功的设计和体系结构。
设计模式的四个基本要素：
- 模式名称
- 问题
- 解决方案
- 效果
按照设计模式的目的可以分为三大类：
- 创建型
创建型模式与对象的创建有关。 - 结构型
结构型模式处理类或对象的组合。 - 行为型
行为型模式对类或对象怎样交互和怎样分配职责进行描述。
（二）创建型设计模式
创建型模式抽象了实例化过程，它们帮助一个系统独立于如何创建、组合和表示它的那些对象。
随着系统的演化，系统由原来的侧重于类继承演化为依赖于对象的复合。因此，对系统设计的重心也从对一组固定行为的硬编码转移为定义一个较小的基本行为集，这些行为可以被组合成任意数目的更复杂的行为。
在这种模式中有两个不断出现的主旋律：
- 它们都将关于该系统使用哪些具体的类的信息封装起来。
- 它们隐藏了这些类的实例是如何被创建和放在一起的。
1. 抽象工厂（Abstract Factory）
抽象工厂的意图是提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。
抽象工厂模式结构图
其中：
-
AbstractFactory声明一个创建抽象产品对象的操作接口 -
ConcreteFactory实现创建具体产品对象的操作 -
AbstractProduct为一类产品对象声明一个接口 -
ConcreteProduct定义一个将被相应的具体工厂创建的产品对象，实现AbstractProduct接口 -
Client仅使用由AbstractFactory和AbstractProduct类声明的接口
抽象工厂模式适用于：
- 一个系统要独立于它的产品的创建、组合和表示时
- 一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时
- 当要强调一系列相关的产品对象的设计以便进行联合使用时
- 当提供一个产品类库，只想显示它们的接口而不是实现时
2. 生成器（Builder）
生成器的意图是将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
生成器模式结构图
其中：
-
Builder为创建一个Product对象的各个部件指定抽象接口 -
ConcreteBuilder实现Builder的接口以构造和装配该产品的各个部件，定义并明确它所创建的表示，提供一个检索产品的接口 -
Director构造一个使用Builder接口的对象 -
Product表示被构造的复杂对象，ConcreteBuilder创建该产品的内部表示并定义它的装配过程。包含定义组成组件的类，包括将这些组件装配成最终产品的接口
生成器模式适用于：
- 当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式时
- 当构造过程必须允许被构造的对象有不同的表示时
3. 工厂方法（Factory Method）
工厂方法意图是定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。
工厂方法模式结构图
其中：
-
Product定义工厂方法所创建的对象的接口 -
ConcreteProduct实现Product接口 -
Creator声明工厂方法，该方法返回一个Product类型的对象。Creator也可以定义一个工厂方法的默认实现，它返回一个默认的ConcreteProduct对象，可以调用工厂方法以创建一个Product对象 -
ConcreteProduct重定义工厂方法以返回一个ConcreteProduct实例
工厂方法模式适用于：
- 当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候
- 当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候
- 当类将创建对象的职责委托给多个帮助子类中的某一个，并且你希望将哪一个帮助子类是代理者这一信息局部化的时候
4. 原型（Prototype）
原型的意图是用原型实例指定创建对象的种类，并且通过复制这些原型创建新的对象。
原型模式结构图
其中：
-
Prototype声明一个复制自身的接口 -
ConcretePrototype实现一个复制自身的操作 -
Client让一个原型复制自身从而创建一个新的对象
原型模式适用于：
- 当一个系统应该独立于它的产品创建、构成和表示时
- 当要实例化的类是在运行时刻指定时，例如，通过动态装载
- 为了避免创建一个与产品类层次平行的工厂类层次时
- 当一个类的实例只能有几个不同状态组合中的一种时。建立相应数目的原型并克隆它们，可能比每次用合适的状态手工实例化该类更方便一些
5. 单例（Singleton）
单例意图是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
单例模式结构图
其中：
-
Singleton指定一个Instance操作，允许客户访问它的唯一实例，Instance是一个类操作；可能负责创建它自己的唯一实例
单例模式适用于：
- 当类只能有一个实例可以从一个众所周知的访问点访问它时
- 当这个唯一实例应该是通过子类化可扩展的，并且客户无须更改代码就能使用一个扩展的实例时
（三）结构型设计模式
结构型设计模式涉及如何组合类和对象以获得更大的结构。
结构型模式采用继承机制来组合接口或实现。结构型对象模式不是对接口和实现进行组合，而是描述了如何对一些对象进行组合，从而实现新功能的一些方法。因为可以在运行时改变对象组合关系，所以对象组合方法具有更大的灵活性，而这种机制用静态类组合是不可能实现的。
1. 适配器（Adapter）
适配器的意图是将一个类的接口转换成客户端希望的另外一个接口。适配器模式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。
类适配器使用多重继承对一个接口与另一个接口进行匹配，如下图所示：
类适配器结构图
对象适配器依赖于对象组合，如下图所示：
对象适配器结构图
其中：
-
Target定义Client使用的与特定领域相关的接口 -
Client与符合Target接口的对象协同 -
Adaptee定义一个已经存在的接口，这个接口需要适配 -
Adapter对Adaptee的接口与Target接口进行适配
适配器模式适用于：
- 想使用一个已经存在的类，而它的接口不符合要求
- 想创建一个可以复用的类，该类可以与其他不相关的类或不可预见的类（即那些接口可能不一定兼容的类）协同工作
- 想使用一个已经存在的子类，但是不可能对每一个都进行子类化以匹配它们的接口
2. 桥接（Bridge）
桥接的意图是将抽象部分与其实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
桥接模式结构图
其中：
-
Abstraction定义抽象类的接口，维护一个指向Implementor类型对象的指针 -
RefinedAbstraction扩充由Abstraction定义的接口 -
Implementor定义实现类的接口，该接口不一定要与Abstraction的接口完全一致；事实上这两个接口可以完全不同。一般来说，Implementor接口仅提供基本操作，而Abstraction定义了基于这些基本操作的较高层次的操作 -
ConcreteImplementor实现Implementor接口并定义它的具体实现
桥接模式适用于：
- 不希望在抽象和它的实现部分之间有一个固定的绑定关系
- 类的抽象以及它的实现都应该可以通过生成子类的方法加以扩充
- 对一个抽象的实现部分的修改应对客户不产生影响，即客户代码不必重新编译
- 想对客户完全隐藏抽象的实现部分
- 有许多类要生成的类层次结构
- 想在多个对象间共享实现，但同时要求客户并不知道这一点
3. 组合（Composite）
组合的意图是将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，组合使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
组合模式结构图
其中：
-
Component为组合中的对象声明接口，在适当情况下实现所有类共有接口的默认行为；声明一个接口用于访问和管理Component的子组件；在递归结构中定义一个接口，用于访问一个父组件，并在合适的情况下实现它 -
Leaf在组合中表示叶结点对象，叶节点没有子结点；在组合中定义图元对象的行为 -
Composite定义有子组件的那些组件的行为；存储子组件；在Component接口中实现与子组件有关的操作 -
Client通过Component接口操纵组合组件的对象
组合模式适用于：
- 想表示对象的部分-整体层次结构
- 希望用户忽略组合对象与单个对象的不同，用户将统一地使用组合结构中的所有对象
4. 装饰（Decorator）
装饰的意图是动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能而言，装饰模式比生成子类更加灵活。
装饰器模式结构图
其中：
-
Component定义一个对象接口，可以给这些对象动态地添加职责 -
ConcreteComponent定义一个对象，可以给这个对象添加一些职责 -
Decorator维持一个指向Component对象的指针，并定义一个与Component接口一致的接口 -
ConcreteDecorator向组件添加职责
装饰模式适用于：
- 在不影响其他对象的情况下，以动态、透明的方式给单个对象添加职责
- 处理那些可以撤销的职责
- 当不能采用生成子类的方式进行扩充时
5. 外观（Facade）
外观的意图是为子系统中一组接口提供一个一致的界面，外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
外观模式结构图
其中：
-
Facade知道哪些子系统类负责处理请求；将客户的请求代理给适当的子系统对象 -
Subsystem classes实现子系统的功能；处理有Facade对象指派的任务；没有Facade的任何相关信息，即没有指向Facade的指针
外观模式适用于：
- 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，这使得子系统更具有可重用性，也更容易对子系统进行定制，但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。外观模式可以提供一个简单的默认视图，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外观层
- 客户程序与抽象类的实现部分之间存在很大的依赖性。引入外观模式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
- 当需要构建一个层次结构的子系统时，使用外观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，则可以让它们通过外观进行通信，从而简化了它们之间的依赖关系
6. 享元（Flyweight）
享元的意图是运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
享元模式结构图
其中：
-
Flyweight描述一个接口，通过这个接口Flyweight可以接受并作用于外部状态 -
ConcreteFlyweight实现Flyweight接口，并为内部状态增加存储空间。ConcreteFlyweight对象必须是可共享的。它所存储的状态必须是内部的，即它必须独立于ConcreteFlyweight对象的场景 - 并非所有的
Flyweight子类都需要被共享。Flyweight接口使共享成为可能，但它并不强制共享。在Flyweight对象结构的某些层次，UnshareConcreteFlyweight对象通常将ConcreteFlyweight对象作为子结点 -
FlyweightFactory创建并管理Flyweight对象；确保合理地共享Flyweight，当用户请求一个Flyweight时，FlyweightFactory对象提供一个已创建的实例或在不存在时创建 一个实例 -
Client维持一个对Flyweight的引用；计算或存储一个或多个Flyweight的外部状态
享元模式适用于：
- 一个应用程序使用了大量的对象
- 完全由于使用大量的对象，造成很大的存储开销
- 对象的大多数状态都可变为外部状态
- 如果剔除对象的外部状态，那么可以用相对较少的共享对象取代很多组对象
- 应用程序不依赖于对象标识
7. 代理（Proxy）
代理的意图是为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
代理模式结构图
其中：
-
Proxy保存一个引用使得代理可以访问实体；提供一个与Subject的接口相同的接口，使代理可以用来代提实体；控制对实体的存取，并可能负责创建和删除它；其他功能依赖于代理的类型：Remote Proxy负责对请求及其参数进行编码，并向不同地址空间中的实体发送已编码的请求；Virtual Proxy可以缓存实体的附加信息，以便延迟对它的访问；Protection Proxy检查调用者是否具有实现一个请求所必需的访问权限 -
Subject定义RealSubject和Proxy的共用接口，这样就在任何使用RealSubject的地方都可以使用Proxy -
RealSubject定义Proxy所代表的实体
代理模式适用于：
- 在需要比较通用和复杂的对象指针代替简单的指针的时候
- 远程代理为一个对象在不同地址空间提供局部代表
- 虚代理根据需要创建开销很大的对象
- 保护代理控制对原始对象的访问，用于对象应该有不同的访问权限的时候
- 智能引用取代了简单的指针，它在访问对象时执行一些附加操作
（四）行为设计模式
行为模式涉及算法和对象间职责的分配。行为模式不仅描述对象或类的模式，还描述它们之间的通信模式。
行为类模式使用继承机制在类间分派行为；行为对象模式使用对象复合而不是继承。
1. 责任链（Chain of Responsibility）
责任链的意图是使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。将这些对象连城一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。
责任链模式结构图
其中：
-
Handler定义一个处理请求的接口；实现后继链 -
ConcreteHandler处理它所负责的请求；可访问它的后继者；如果可处理该请求，就处理它，否则将该请求转发给后继者 -
Client向链上的具体处理者（ConcreteHandler）对象提交请求
责任链模式适用于：
- 有多个的对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求运行时刻自动确定
- 想在不明确指定接收者的情况下向多个对象中的一个提交一个请求
- 可处理一个请求的对象集合应被动态指定
2. 命令（Command）
命令的意图是将一个请求封装成一个对象，从而使得可以用不同的请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。
命令模式结构图
其中：
-
Command声明执行操作的接口 -
ConcreteCommand将一个接收者对象绑定于一个动作；调用接收者相应的操作，以实现Excute -
Client创建一个具体命令对象并设定它的接收者 -
Invoker要求该命令执行这个请求 -
Receiver知道如何实施与执行一个请求相关的操作
命令模式适用于：
- 抽象出待执行的动作以参数化某对象
- 在不同的时刻指定、排列和执行请求
- 支持取消操作
- 支持修改日志
- 用构建在原语操作上的高层操作构造一个系统
3. 解释器（Interpreter）
解释器的意图是给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
解释器模式结构图
其中：
-
AbstractExpression声明一个程序的解释操作，这个接口为抽象语法树中所有的结点所共享 -
TerminalExpression实现与文法中的终结符相关联的解释操作；一个句子中的每个终结符需要该类的一个实例 -
NonterminalExpression对文法中的每一条规则都需要一个NonterminalExpression类；为每个符号都维护一个AbstractExpression类型的实例变量；为文法中的非终结符实现解释操作 -
Context包含解释器之外的一些全局信息 -
Client构建表示该文法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树，该抽象语法树由NonterminalExpression和TerminalExpression的实例装配而成；调用解释操作
解释器模式适用于：
- 当有一个语言需要解释执行，并且可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时
- 文法简单的
- 效率不是关键问题的
4. 迭代器（iterator)
迭代器的意图是提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，且不需要暴露该对象的内部表示。
迭代器模式结构图
其中：
-
Iterator定义访问和遍历元素的接口 -
ConcreteIterator实现迭代器接口；对该聚合遍历时跟踪当前位置 -
Aggregate定义创建相应迭代器对象的接口 -
ConcreteAggregate实现创建相应迭代器的接口，该操作返回ConcreteIterator的一个适当的实例
迭代器模式适用于：
- 访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示
- 支持对聚合对象的多种遍历
- 为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口
5. 中介者（Mediator）
中介者的意图是用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
中介者模式结构图
其中：
-
Mediator定义一个接口用于各同事对象通信 -
ConcreteMediator通过协调各同事对象实现协作行为；了解并维护它的各个同事 -
Colleague class知道它的中介者对象；每一个同事类对象在需要与其他同事通信的时候与它的中介者通信
中介者模式适用于：
- 一组对象以定义良好但是复杂的方式进行通信，产生的相互依赖关系结构混乱且难以理解
- 一个对象引用其他很多对象且直接与这些对象通信，导致难以复用该对象
- 想定制一个分布在多个类中的行为，而又不想生成太多的子类
6. 备忘录（Memento）
备忘录的意图是在不破坏封装性的前提下捕获一个对象的内部状态，并在对象之外保存这个状态。这样以后就可以将对象恢复到原先保存的状态。
备忘录模式结构图
其中：
-
Memento存储原发器对象的内部状态，原发器根据需要决定备忘录存储原发器的哪些内部状态；防止原发器以外的其他对象访问备忘录 -
Originator创建一个备忘录，用于记录当前时刻它的内部状态；使用备忘录恢复内部状态 -
Caretaker负责保存好备忘录；不能对备忘录的内容进行操作或检查
备忘录模式适用于：
- 必须保存一个对象在某一时刻的状态，这样以后需要时它才能恢复到先前的状态
- 如果一个用接口来让其他对象直接得到这些状态，将会暴露对象的实现细节并破坏对象的封装性
7. 观察者（Observer）
观察者的意图是定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
观察者模式结构图
其中：
-
Subject知道它的观察者，可以有任意多个观察者观察同一个目标；提供注册和删除观察者对象的接口 -
Observer为那些在目标发生改变时需要获得通知的对象定义一个更新接口 -
ConcreteSubject将有关状态存入各ConcreteObserver对象；当它的状态发生改变时，向它的各个观察者发出通知 -
ConcreteObserver维护一个指向ConcreteSubject对象的引用；存储有关状态，这些状态应与目标的状态保持一致；实现Observer的更新接口，以使自身状态与目标的状态保持一致
观察者模式适用于：
- 当一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面，将这两者封装在独立的对象中以使它们可以各自独立地改变和复用
- 当对一个对象的改变需要同时改变其他对象，而不知道具体有多少对象有待改变时
- 当一个对象必须通知其他对象，而它又不能假定其他对象是谁，即不希望这些对象是紧耦合的
8. 状态（State）
状态的意图是允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。
状态模式结构图
其中：
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Context定义客户感兴趣的接口；维护一个ConcreteState子类的实例，这个实例定义当前状态 -
State定义一个接口以封装与Context的一个特定状态相关的行为 -
ConcreteState每个子类实现与Context的一个状态相关的行为
状态模式适用于：
- 一个对象的行为决定于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为
- 一个操作中含有庞大的多分支的条件语句，且这些分支依赖于该对象的状态。
9. 策略（Strategy）
策略的意图是定义一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可以相互替换。此模式使得算法可以独立于使用它们的客户而变化。
策略模式结构图
其中：
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Strategy定义所有支持的算法的公共接口。Context使用这个接口来调用某ConcreteStrategy定义的算法 -
ConcreteStrategy以Strategy接口实现某具体算法 -
Context用一个ConcreteStrategy对象来配置；维护一个对Strategy对象的引用；可定义一个接口来让Strategy访问它的数据
策略模式适用于：
- 许多相关的类仅仅是行为有异。“策略”提供了一种用多个行为中的一个行为来配置一个类的方法
- 需要使用一个算法的不同变体
- 算法使用客户不应该知道的数据
- 一个类定义了多种行为，并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现，将相关的条件分支移入它们各自的策略类中，以代替这些条件语句
10. 模板方法（Template Method)
模板方法的意图是定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
模板方法的结构模式图
其中：
-
AbstractClass定义抽象的原语操作，具体的子类将重定义它们以实现一个算法的各步骤；实现模板方法，定一个算法的骨架，该模板方法不仅调用原语操作，也调用定义在AbstractClass或其他对象中的操作 -
ConcreteClass实现原语操作以完成算法中与特定子类相关的步骤
模板方法模式适用于：
- 一次性实现一个算法的不变的部分，并将可变的行为留给子类来实现
- 各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中，以避免代码重复
- 控制子类扩展。模板方法旨在特定点调用
hook操作，这就只允许在这些点进行扩展
11. 访问者（Visitor）
访问者的意图是表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它允许在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
访问者模式结构图
其中：
-
Visitor为该对象结构中ConcreteElement的每一个类声明一个Visit操作 -
ConcreteVisitor实现每个有Visitor声明的操作，每个操作实现本算法的一部分，而该算法片段乃是对应于结构中对象的类 -
Element定义以一个访问者为参数的Accept操作 -
ConcreteElement实现以一个访问者为参数的Accept操作 -
ObjectStructure能枚举它的元素；可以提供一个高层的接口以允许该访问者访问它的元素；可以是一个组合或一个集合，如一个列表或一个无序集合
访问者模式适用于：
- 一个对象结构包含很多类对象，它们有不同的接口，而用户想对这些对象实施一些依赖于其具体类的操作
- 需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作，而又想要避免这些操作“污染”这些对象的类
- 定义对象结构的类很少改变，但经常需要在此结构上定义新的操作
