设计模式

编程设计模式是解决软件设计中常见问题的经典解决方案，GoF（Gang of Four）提出的 23种设计模式 被广泛应用于实际开发中。以下是这些设计模式的分类和简要说明：

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一、创建型模式（5种）

1. 单例模式（Singleton Pattern）

   • 作用：确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。
   • 应用：数据库连接池、Spring框架中的 ApplicationContext 等。

2. 工厂方法模式（Factory Method Pattern）

   • 作用：定义一个创建对象的接口，由子类决定实例化哪个类。
   • 应用：Spring框架的 BeanFactory、日志框架（如 Log4j）的工厂类。

3. 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

   • 作用：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，无需指定具体类。
   • 应用：跨平台 UI 工具包（如 Windows 和 macOS 的按钮、文本框）。

4. 建造者模式（Builder Pattern）

   • 作用：将一个复杂对象的构建过程与其表示分离，逐步构建对象。
   • 应用：构建复杂对象（如生成 HTML 文档、配置对象）。

5. 原型模式（Prototype Pattern）

   • 作用：通过复制现有对象来创建新对象，避免重复初始化。
   • 应用：Java 中的 clone() 方法、对象池管理。

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二、结构型模式（7种）

1. 适配器模式（Adapter Pattern）

   • 作用：将一个类的接口转换成客户端期望的另一种接口，使不兼容的类协同工作。
   • 应用：旧代码与新接口的兼容性处理（如 Java 中的 Collection 和 Iterator）。

2. 代理模式（Proxy Pattern）

   • 作用：为其他对象提供代理以控制对对象的访问。
   • 应用：远程调用（如 RMI）、权限控制（如 Spring AOP）。

3. 装饰器模式（Decorator Pattern）

   • 作用：动态地为对象添加功能，避免类爆炸问题。
   • 应用：Java I/O 流（如 BufferedInputStream 装饰 FileInputStream）。

4. 桥接模式（Bridge Pattern）

   • 作用：将抽象部分与其实现部分分离，使它们可以独立变化。
   • 应用：图形绘制（如形状与颜色分离）。

5. 组合模式（Composite Pattern）

   • 作用：将对象组合成树形结构，以表示“部分-整体”的层次结构。
   • 应用：文件系统（目录与文件）、GUI 组件树。

6. 外观模式（Facade Pattern）

   • 作用：为子系统中的一组接口提供统一的高层接口，简化复杂系统的使用。
   • 应用：启动服务器时的初始化流程封装。

7. 享元模式（Flyweight Pattern）

   • 作用：通过共享技术高效地支持大量细粒度对象。
   • 应用：文本编辑器中的字符对象共享。

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三、行为型模式（11种）

1. 观察者模式（Observer Pattern）

   • 作用：定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象状态变化时，所有依赖者自动更新。
   • 应用：事件处理系统（如 Java 的 EventListeners）。

2. 策略模式（Strategy Pattern）

   • 作用：定义一系列算法，将每个算法封装并使其可互换。
   • 应用：支付方式选择（如支付宝、微信支付）。

3. 模板方法模式（Template Method Pattern）

   • 作用：定义算法骨架，将某些步骤延迟到子类实现。
   • 应用：JUnit 测试框架的 setUp() 和 tearDown()。

4. 命令模式（Command Pattern）

   • 作用：将请求封装为对象，使请求的发送者与执行者解耦。
   • 应用：事务回滚、操作日志记录。

5. 状态模式（State Pattern）

   • 作用：允许对象在内部状态变化时改变其行为。
   • 应用：游戏角色的状态切换（如攻击、防御、逃跑）。TCP的连接状态，例如建立，断开，正在连接。

6. 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）

   • 作用：将请求的发送者和接收者解耦，多个对象依次处理请求。
   • 应用：审批流程（如报销审批）、过滤器链（如 Servlet Filter）。

7. 访问者模式（Visitor Pattern）

   • 作用：将数据结构与操作分离，对结构中的元素执行操作。
   • 应用：编译器的语法树遍历、报表生成。

8. 中介者模式（Mediator Pattern）

   • 作用：通过中介者对象集中处理多个对象之间的交互。
   • 应用：聊天室、GUI 控件的协调。

9. 迭代器模式（Iterator Pattern）

   • 作用：提供一种顺序访问集合元素的方式，而不暴露其内部结构。
   • 应用：Java 中的 Iterator 接口。

10. 备忘录模式（Memento Pattern）

    • 作用：保存对象的内部状态，以便在需要时恢复。
    • 应用：撤销/重做功能、游戏存档。

11. 解释器模式（Interpreter Pattern）

    • 作用：定义语言的文法，并解释语言中的句子。
    • 应用：正则表达式解析、简单的计算表达式求值。

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四、设计模式的分类总结

类别	模式数量	典型应用场景
创建型模式	5	对象创建与初始化
结构型模式	7	类与对象的组合方式
行为型模式	11	对象之间的交互与职责分配

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五、设计模式的核心原则

1. 开闭原则（OCP）：对扩展开放，对修改关闭。
2. 单一职责原则（SRP）：一个类只负责一个职责。
3. 里氏替换原则（LSP）：子类应能替换父类而不影响程序正确性。
4. 依赖倒置原则（DIP）：依赖抽象（接口/抽象类），而非具体实现。
5. 接口隔离原则（ISP）：定义小而专的接口，避免冗余方法。
6. 迪米特法则（LoD）：减少对象间的直接依赖，保持低耦合。

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六、实际应用案例

• Spring 框架：

  • 单例模式：确保 ApplicationContext 全局唯一。
  • 工厂模式：通过 BeanFactory 创建和管理 Bean。
  • 代理模式：AOP 实现基于动态代理。

• Java 标准库：

  • 观察者模式：java.util.Observer 和 Observable。
  • 装饰器模式：InputStream 和 OutputStream 的装饰链。

• 设计模式组合使用：
  例如，MVC 架构结合了 观察者模式（视图监听模型变化）、策略模式（控制器处理不同请求）、工厂模式（动态创建组件）等。

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通过学习和应用这些设计模式，可以显著提升代码的可维护性、可扩展性和可复用性。如果你对某个模式的具体实现或应用场景感兴趣，可以进一步深入探讨！