【不失业计划】设计模式 part2一结构型模式

转载说明:资料来源 https://design-patterns.readthedocs.io/zh_CN/latest/creational_patterns/creational.html 主要作为个人学习查阅资料,需要删除请联系

附另一直观设计模式学习网站:https://refactoringguru.cn/design-patterns

二、结构型模式

1、适配器模式

定义

将一个接口转换成客户希望的另一个接口,适配器模式使接口不兼容的那些类和对象可以一起工作。

运作方式

  1. 适配器实现与其中一个现有对象兼容的接口。
  2. 现有对象可以使用该接口安全地调用适配器方法。
  3. 适配器方法被调用后将以另一个对象兼容的格式和顺序将请求传递给该对象。

结构

  • Target:目标抽象类客户端接口 (Client Interface) 描述了其他类与客户端代码合作时必须遵循的协议。)
  • Adapter:适配器类适配器 (Adapter) 是一个可以同时与客户端和服务交互的类: 它在实现客户端接口的同时封装了服务对象。 适配器接受客户端通过适配器接口发起的调用, 并将其转换为适用于被封装服务对象的调用。)
  • Adaptee:适配者类服务 (Service) 中有一些功能类 (通常来自第三方或遗留系统)。 客户端与其接口不兼容, 因此无法直接调用其功能。)
  • Client:客户类客户端 (Client) 是包含当前程序业务逻辑的类。)

类适配器(这一实现使用了继承机制: 适配器同时继承两个对象的接口。 请注意, 这种方式仅能在支持多重继承的编程语言中实现, 例如 C++。)

时序图

优点

  • 目标类和适配者类解耦,通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类,而无须修改原有代码
  • 增加了类的透明性和复用性,将具体的实现封装在适配者类中,对于客户端类来说是透明的,而且提高了适配者的复用性。
  • 灵活性和扩展性都非常好,通过使用配置文件,可以很方便地更换适配器,也可以在不修改原有代码的基础上增加新的适配器类,完全符合“开闭原则”。

缺点

  • 对于Java、C#等不支持多重继承的语言,一次最多只能适配一个适配者类,而且目标抽象类只能为抽象类,不能为具体类,其使用有一定的局限性,不能将一个适配者类和它的子类都适配到目标接口。
  • 与类适配器模式相比,要想置换适配者类的方法就不容易。如果一定要置换掉适配者类的一个或多个方法,就只好先做一个适配者类的子类,将适配者类的方法置换掉,然后再把适配者类的子类当做真正的适配者进行适配,实现过程较为复杂。

适用场景

  • 当你希望使用某个类但是其接口与其他代码不兼容时可以使用适配器类

    适配器模式允许你创建一个中间层类, 其可作为代码与遗留类、 第三方类或提供怪异接口的类之间的转换器。

  • 如果您需要复用这样一些类, 他们处于同一个继承体系, 并且他们又有了额外的一些共同的方法, 但是这些共同的方法不是所有在这一继承体系中的子类所具有的共性。

    你可以扩展每个子类, 将缺少的功能添加到新的子类中。 但是, 你必须在所有新子类中重复添加这些代码, 这样会使得代码有坏味道

总结

  • 结构型模式描述如何将类或者对象结合在一起形成更大的结构。
  • 适配器模式用于将一个接口转换成客户希望的另一个接口,适配器模式使接口不兼容的那些类可以一起工作,其别名为包装器。适配器模式既可以作为类结构型模式,也可以作为对象结构型模式。
  • 适配器模式包含四个角色:目标抽象类定义客户要用的特定领域的接口;适配器类可以调用另一个接口,作为一个转换器,对适配者和抽象目标类进行适配,它是适配器模式的核心;适配者类是被适配的角色,它定义了一个已经存在的接口,这个接口需要适配;在客户类中针对目标抽象类进行编程,调用在目标抽象类中定义的业务方法。
  • 在类适配器模式中,适配器类实现了目标抽象类接口并继承了适配者类,并在目标抽象类的实现方法中调用所继承的适配者类的方法;在对象适配器模式中,适配器类继承了目标抽象类并定义了一个适配者类的对象实例,在所继承的目标抽象类方法中调用适配者类的相应业务方法。
  • 适配器模式的主要优点是将目标类和适配者类解耦,增加了类的透明性和复用性,同时系统的灵活性和扩展性都非常好,更换适配器或者增加新的适配器都非常方便,符合“开闭原则”;类适配器模式的缺点是适配器类在很多编程语言中不能同时适配多个适配者类,对象适配器模式的缺点是很难置换适配者类的方法。
  • 适配器模式适用情况包括:系统需要使用现有的类,而这些类的接口不符合系统的需要;想要建立一个可以重复使用的类,用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类一起工作。

2、桥接模式

定义

抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式,又称为柄体(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。(注意, 这里提到的内容与编程语言中的接口抽象类无关。 它们并不是一回事。)

在实际的程序中, 抽象部分是图形用户界面 (GUI), 而实现部分则是底层操作系统代码 (API), GUI 层调用 API 层来对用户的各种操作做出响应。

结构

  • Abstraction:抽象类

  • RefinedAbstraction:扩充抽象类

  • Implementor:实现类接口

  • ConcreteImplementor:具体实现类

时序图

优点

  • 你可以创建与平台无关的类和程序。
  • 客户端代码仅与高层抽象部分进行互动, 不会接触到平台的详细信息。
  • 开闭原则。 你可以新增抽象部分和实现部分, 且它们之间不会相互影响。
  • 单一职责原则。 抽象部分专注于处理高层逻辑, 实现部分处理平台细节。

缺点

  • 对高内聚的类使用该模式可能会让代码更加复杂。

适用场景

  • 如果你想要拆分或重组一个具有多重功能的庞杂类 (例如能与多个数据库服务器进行交互的类), 可以使用桥接模式。

    类的代码行数越多, 弄清其运作方式就越困难, 对其进行修改所花费的时间就越长。 一个功能上的变化可能需要在整个类范围内进行修改, 而且常常会产生错误, 甚至还会有一些严重的副作用。

    桥接模式可以将庞杂类拆分为几个类层次结构。 此后, 你可以修改任意一个类层次结构而不会影响到其他类层次结构。 这种方法可以简化代码的维护工作, 并将修改已有代码的风险降到最低。

  • 如果你希望在几个独立维度上扩展一个类, 可使用该模式

    桥接建议将每个维度抽取为独立的类层次。 初始类将相关工作委派给属于对应类层次的对象, 无需自己完成所有工作。

  • 如果你需要在运行时切换不同实现方法, 可使用桥接模式。

    当然并不是说一定要实现这一点, 桥接模式可替换抽象部分中的实现对象, 具体操作就和给成员变量赋新值一样简单。

  • 顺便提一句, 最后一点是很多人混淆桥接模式和策略模式的主要原因。 记住, 设计模式并不仅是一种对类进行组织的方式, 它还能用于沟通意图和解决问题。

总结

  • 桥接模式将抽象部分与它的实现部分分离,使它们都可以独立地变化。它是一种对象结构型模式,又称为柄体(Handle and Body)模式或接口(Interface)模式。
  • 桥接模式包含如下四个角色:抽象类中定义了一个实现类接口类型的对象并可以维护该对象;扩充抽象类扩充由抽象类定义的接口,它实现了在抽象类中定义的抽象业务方法,在扩充抽象类中可以调用在实现类接口中定义的业务方法;实现类接口定义了实现类的接口,实现类接口仅提供基本操作,而抽象类定义的接口可能会做更多更复杂的操作;具体实现类实现了实现类接口并且具体实现它,在不同的具体实现类中提供基本操作的不同实现,在程序运行时,具体实现类对象将替换其父类对象,提供给客户端具体的业务操作方法。
  • 在桥接模式中,抽象化(Abstraction)与实现化(Implementation)脱耦,它们可以沿着各自的维度独立变化。
  • 桥接模式的主要优点是分离抽象接口及其实现部分,是比多继承方案更好的解决方法,桥接模式还提高了系统的可扩充性,在两个变化维度中任意扩展一个维度,都不需要修改原有系统,实现细节对客户透明,可以对用户隐藏实现细节;其主要缺点是增加系统的理解与设计难度,且识别出系统中两个独立变化的维度并不是一件容易的事情。
  • 桥接模式适用情况包括:需要在构件的抽象化角色和具体化角色之间增加更多的灵活性,避免在两个层次之间建立静态的继承联系;抽象化角色和实现化角色可以以继承的方式独立扩展而互不影响;一个类存在两个独立变化的维度,且这两个维度都需要进行扩展;设计要求需要独立管理抽象化角色和具体化角色;不希望使用继承或因为多层次继承导致系统类的个数急剧增加的系统。

3、装饰模式

定义

装饰模式是一种结构型设计模式, 允许你通过将对象放入包含行为的特殊封装对象中来为原对象绑定新的行为。

结构

  • Component: 抽象构件

  • ConcreteComponent: 具体构件

  • Decorator: 抽象装饰类

  • ConcreteDecorator: 具体装饰类

时序图

优点

  • 无需创建新子类即可扩展对象的行为

  • 可以在运行时添加或删除对象的功能

  • 你可以用多个装饰封装对象来组合几种行为

  • 单一职责原则。 你可以将实现了许多不同行为的一个大类拆分为多个较小的类。

缺点

  • 在封装器栈中删除特定封装器比较困难。
  • 实现行为不受装饰栈顺序影响的装饰比较困难。
  • 各层的初始化配置代码看上去可能会很糟糕。
  • 装饰模式比继承更加易于出错,排错也很困难,对于多次装饰的对象,调试时寻找错误可能需要逐级排查,较为烦琐。

适用场景

  • 如果你希望在无需修改代码的情况下即可使用对象, 且希望在运行时为对象新增额外的行为, 可以使用装饰模式。

装饰能将业务逻辑组织为层次结构, 你可为各层创建一个装饰, 在运行时将各种不同逻辑组合成对象。 由于这些对象都遵循通用接口, 客户端代码能以相同的方式使用这些对象。

  • 如果用继承来扩展对象行为的方案难以实现或者根本不可行, 你可以使用该模式。

    许多编程语言使用 final最终关键字来限制对某个类的进一步扩展。 复用最终类已有行为的唯一方法是使用装饰模式: 用封装器对其进行封装。

总结

  • 装饰模式用于动态地给一个对象增加一些额外的职责,就增加对象功 能来说,装饰模式比生成子类实现更为灵活。它是一种对象结构型模 式。
  • 装饰模式包含四个角色:抽象构件定义了对象的接口,可以给这些对 象动态增加职责(方法);具体构件定义了具体的构件对象,实现了 在抽象构件中声明的方法,装饰器可以给它增加额外的职责(方法); 抽象装饰类是抽象构件类的子类,用于给具体构件增加职责,但是具 体职责在其子类中实现;具体装饰类是抽象装饰类的子类,负责向构 件添加新的职责。
  • 使用装饰模式来实现扩展比继承更加灵活,它以对客户透明的方式动 态地给一个对象附加更多的责任。装饰模式可以在不需要创造更多子 类的情况下,将对象的功能加以扩展。
  • 装饰模式的主要优点在于可以提供比继承更多的灵活性,可以通过一种动态的 方式来扩展一个对象的功能,并通过使用不同的具体装饰类以及这些装饰类的 排列组合,可以创造出很多不同行为的组合,而且具体构件类与具体装饰类可 以独立变化,用户可以根据需要增加新的具体构件类和具体装饰类;其主要缺 点在于使用装饰模式进行系统设计时将产生很多小对象,而且装饰模式比继承 更加易于出错,排错也很困难,对于多次装饰的对象,调试时寻找错误可能需 要逐级排查,较为烦琐。
  • 装饰模式适用情况包括: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;需要动态地给一个对象增加功能,这些功能也可以动态地 被撤销;当不能采用继承的方式对系统进行扩充或者采用继承不利于系统扩展 和维护时。
  • 装饰模式可分为透明装饰模式和半透明装饰模式:在透明装饰模式中,要求客 户端完全针对抽象编程,装饰模式的透明性要求客户端程序不应该声明具体构 件类型和具体装饰类型,而应该全部声明为抽象构件类型;半透明装饰模式允 许用户在客户端声明具体装饰者类型的对象,调用在具体装饰者中新增的方法。

4、外观模式

定义

外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的外观对象进行,为子系统中的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。外观模式又称为门面模式,它是一种对象结构型模式。

类比于

当你通过电话给商店下达订单时, 接线员就是该商店的所有服务和部门的外观。 接线员为你提供了一个同购物系统、 支付网关和各种送货服务进行互动的简单语音接口。

结构

  • Facade: 外观角色
  • SubSystem:子系统角色

时序图

优点

  • 你可以让自己的代码独立于复杂子系统。
  • 只是提供了一个访问子系统的统一入口,并不影响用户直接使用子系统类。
  • 对客户屏蔽子系统组件,减少了客户处理的对象数目并使得子系统使用起来更加容易。通过引入外观模式,客户代码将变得很简单,与之关联的对象也很少。
  • 实现了子系统与客户之间的松耦合关系,这使得子系统的组件变化不会影响到调用它的客户类,只需要调整外观类即可。
  • 降低了大型软件系统中的编译依赖性,并简化了系统在不同平台之间的移植过程,因为编译一个子系统一般不需要编译所有其他的子系统。一个子系统的修改对其他子系统没有任何影响,而且子系统内部变化也不会影响到外观对象。

缺点

  • 外观可能成为与程序中所有类都耦合的上帝对象
  • 不能很好地限制客户使用子系统类,如果对客户访问子系统类做太多的限制则减少了可变性和灵活性。
  • 在不引入抽象外观类的情况下,增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码,违背了“开闭原则”。

适用场景

  • 如果你需要一个指向复杂子系统的直接接口, 且该接口的功能有限, 则可以使用外观模式。

    子系统通常会随着时间的推进变得越来越复杂。 即便是应用了设计模式, 通常你也会创建更多的类。 尽管在多种情形中子系统可能是更灵活或易于复用的, 但其所需的配置和样板代码数量将会增长得更快。 为了解决这个问题, 外观将会提供指向子系统中最常用功能的快捷方式, 能够满足客户端的大部分需求。

  • 如果需要将子系统组织为多层结构, 可以使用外观。

    创建外观来定义子系统中各层次的入口。 你可以要求子系统仅使用外观来进行交互, 以减少子系统之间的耦合。

总结

  • 在外观模式中,外部与一个子系统的通信必须通过一个统一的外观对象进行,为子系统中的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。外观模式又称为门面模式,它是一种对象结构型模式。
  • 外观模式包含两个角色:外观角色是在客户端直接调用的角色,在外观角色中可以知道相关的(一个或者多个)子系统的功能和责任,它将所有从客户端发来的请求委派到相应的子系统去,传递给相应的子系统对象处理;在软件系统中可以同时有一个或者多个子系统角色,每一个子系统可以不是一个单独的类,而是一个类的集合,它实现子系统的功能。
  • 外观模式要求一个子系统的外部与其内部的通信通过一个统一的外观对象进行,外观类将客户端与子系统的内部复杂性分隔开,使得客户端只需要与外观对象打交道,而不需要与子系统内部的很多对象打交道。
  • 外观模式主要优点在于对客户屏蔽子系统组件,减少了客户处理的对象数目并使得子系统使用起来更加容易,它实现了子系统与客户之间的松耦合关系,并降低了大型软件系统中的编译依赖性,简化了系统在不同平台之间的移植过程;其缺点在于不能很好地限制客户使用子系统类,而且在不引入抽象外观类的情况下,增加新的子系统可能需要修改外观类或客户端的源代码,违背了“开闭原则”。
  • 外观模式适用情况包括:要为一个复杂子系统提供一个简单接口;客户程序与多个子系统之间存在很大的依赖性;在层次化结构中,需要定义系统中每一层的入口,使得层与层之间不直接产生联系。

5、享元模式

定义

​ 运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用。由于享元模式要求能够共享的对象必须是细粒度对象,因此它又称为轻量级模式,它是一种对象结构型模式。

我们将一个仅存储内在状态的对象称为享元

结构

  • Flyweight: 抽象享元类

  • ConcreteFlyweight: 具体享元类

  • UnsharedConcreteFlyweight: 非共享具体享元类

  • FlyweightFactory: 享元工厂类

时序图

优点

  • 享元模式的优点在于它可以极大减少内存中对象的数量使得相同对象或相似对象在内存中只保存一份
  • 享元模式的外部状态相对独立,而且不会影响其内部状态,从而使得享元对象可以在不同的环境中被共享

缺点

  • 享元模式使得系统更加复杂,需要分离出内部状态和外部状态,这使得程序的逻辑复杂化
  • 为了使对象可以共享,享元模式需要将享元对象的状态外部化,而读取外部状态使得运行时间变长

适用场景

  • 仅在程序必须支持大量对象且没有足够的内存容量时使用享元模式

    应用该模式所获的收益大小取决于使用它的方式和情景。 它在下列情况中最有效:

    • 程序需要生成数量巨大的相似对象
    • 这将耗尽目标设备的所有内存
    • 对象中包含可抽取且能在多个对象间共享的重复状态。
  • 对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些外部状态传入对象中。

  • 使用享元模式需要维护一个存储享元对象的享元池,而这需要耗费资源,因此,应当在多次重复使用享元对象时才值得使用享元模式。

总结

  • 享元模式运用共享技术有效地支持大量细粒度对象的复用。系统只使用少量的对象,而这些对象都很相似,状态变化很小,可以实现对象的多次复用,它是一种对象结构型模式。
  • 享元模式包含四个角色:抽象享元类声明一个接口,通过它可以接受并作用于外部状态;具体享元类实现了抽象享元接口,其实例称为享元对象;非共享具体享元是不能被共享的抽象享元类的子类;享元工厂类用于创建并管理享元对象,它针对抽象享元类编程,将各种类型的具体享元对象存储在一个享元池中。
  • 享元模式以共享的方式高效地支持大量的细粒度对象,享元对象能做到共享的关键是区分内部状态和外部状态。其中内部状态是存储在享元对象内部并且不会随环境改变而改变的状态,因此内部状态可以共享;外部状态是随环境改变而改变的、不可以共享的状态。
  • 享元模式主要优点在于它可以极大减少内存中对象的数量,使得相同对象或相似对象在内存中只保存一份;其缺点是使得系统更加复杂,并且需要将享元对象的状态外部化,而读取外部状态使得运行时间变长。
  • 享元模式适用情况包括:一个系统有大量相同或者相似的对象,由于这类对象的大量使用,造成内存的大量耗费;对象的大部分状态都可以外部化,可以将这些外部状态传入对象中;多次重复使用享元对象。

6、代理模式

定义

​ 代理模式(Proxy Pattern) :给某一个对象提供一个代理,并由代理对象控制对原对象的引用。让你能够提供对象的替代品或其占位符。 代理控制着对于原对象的访问, 并允许在将请求提交给对象前后进行一些处理。代理模式的英文叫做Proxy或Surrogate,它是一种对象结构型模式。

结构

  • Subject: 抽象主题角色

  • Proxy: 代理主题角色

  • RealSubject: 真实主题角色

时序图

优点

  • 你可以在客户端毫无察觉的情况下控制服务对象。
  • 如果客户端对服务对象的生命周期没有特殊要求, 你可以对生命周期进行管理。
  • 即使服务对象还未准备好或不存在, 代理也可以正常工作。
  • 开闭原则。 你可以在不对服务或客户端做出修改的情况下创建新代理。

缺点

  • 代码可能会变得复杂, 因为需要新建许多类。
  • 服务响应可能会延迟。

适用场景

  • 延迟初始化 (虚拟代理)。 如果你有一个偶尔使用的重量级服务对象, 一直保持该对象运行会消耗系统资源时, 可使用代理模式。

    你无需在程序启动时就创建该对象, 可将对象的初始化延迟到真正有需要的时候。

  • 访问控制 (保护代理)。 如果你只希望特定客户端使用服务对象, 这里的对象可以是操作系统中非常重要的部分, 而客户端则是各种已启动的程序 (包括恶意程序), 此时可使用代理模式。

    代理可仅在客户端凭据满足要求时将请求传递给服务对象。

  • 本地执行远程服务 (远程代理)。 适用于服务对象位于远程服务器上的情形。

    在这种情形中, 代理通过网络传递客户端请求, 负责处理所有与网络相关的复杂细节。

  • 记录日志请求 (日志记录代理)。 适用于当你需要保存对于服务对象的请求历史记录时。 代理可以在向服务传递请求前进行记录。

    缓存请求结果 (缓存代理)。 适用于需要缓存客户请求结果并对缓存生命周期进行管理时, 特别是当返回结果的体积非常大时。

    • 代理可对重复请求所需的相同结果进行缓存, 还可使用请求参数作为索引缓存的键值。
  • 智能引用。 可在没有客户端使用某个重量级对象时立即销毁该对象。

    代理会将所有获取了指向服务对象或其结果的客户端记录在案。 代理会时不时地遍历各个客户端, 检查它们是否仍在运行。 如果相应的客户端列表为空, 代理就会销毁该服务对象, 释放底层系统资源。

    代理还可以记录客户端是否修改了服务对象。 其他客户端还可以复用未修改的对象。

总结

  • 在代理模式中,要求给某一个对象提供一个代理,并由代理对象控制对原对象的引用。代理模式的英文叫做Proxy或Surrogate,它是一种对象结构型模式。

  • 代理模式包含三个角色:

  • 抽象主题角色声明了真实主题和代理主题的共同接口;

  • 代理主题角色内部包含对真实主题的引用,从而可以在任何时候操作真实主题对象;

  • 真实主题角色定义了代理角色所代表的真实对象,在真实主题角色中实现了真实的业务操作,客户端可以通过代理主题角色间接调用真实主题角色中定义的方法。

  • 代理模式的优点在于能够协调调用者和被调用者,在一定程度上降低了系统的耦合度;

  • 其缺点在于由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象,因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢,并且实现代理模式需要额外的工作,有些代理模式的实现非常复杂。远程代理为一个位于不同的地址空间的对象提供一个本地的代表对象,它使得客户端可以访问在远程机器上的对象,远程机器可能具有更好的计算性能与处理速度,可以快速响应并处理客户端请求。

  • 如果需要创建一个资源消耗较大的对象,先创建一个消耗相对较小的对象来表示,真实对象只在需要时才会被真正创建,这个小对象称为虚拟代理。虚拟代理通过使用一个小对象来代表一个大对象,可以减少系统资源的消耗,对系统进行优化并提高运行速度。

  • 保护代理可以控制对一个对象的访问,可以给不同的用户提供不同级别的使用权限。

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