23种设计模式

### 23种设计模式详解 #### 一、概述 设计模式是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。本书《23种设计模式精解》全面介绍了GoF（Gang of Four）提出的23种经典设计模式，并附带了每种模式的C++实现示例。这些模式覆盖了面向对象设计中的常见问题，分为三类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。 #### 二、创建型模式 **1.1 Factory模式** - **定义**：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方法使得一个类的实例化延迟到其子类。 - **应用场景**：当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候。 - **优点**：增加新的产品类时不需要修改工厂类和其他已有的产品类。 - **缺点**：每次增加新产品都需要修改工厂类。 **1.2 Abstract Factory模式** - **定义**：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。 - **应用场景**：一个系统应该独立于它的产品创建、组合和表示时。 - **优点**：可以在类的内部对产品族中相关的产品一起操作，而不必知道基类。 - **缺点**：产品族扩展困难，要扩展产品族需要修改抽象工厂的接口。 **1.3 Singleton模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：控制资源访问时，如线程池、缓存、对话框等。 - **优点**：控制单个实例的访问，易于扩展，提供了一个全局访问点。 - **缺点**：违反单一职责原则，过度使用会降低系统的灵活性。 **1.4 Builder模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分及其装配方式时。 - **优点**：能够构造出复杂的对象，各个部分可以自由组合。 - **缺点**：产品必须有共同点，范围有限制。 **1.5 Prototype模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：创建对象的成本较大时。 - **优点**：性能高，避免了递归的创建过程。 - **缺点**：注册机制可能存储大量的产品类实例。 #### 三、结构型模式 **2.1 Bridge模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：当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时。 - **优点**：可以独立地扩展抽象和实现部分。 - **缺点**：桥接模式的引入会增加系统的复杂度以及更多的编程工作量。 **2.2 Adapter模式** - **定义**：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口。Adapter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。 - **应用场景**：希望复用一些现存的类，但其接口不符合需求时。 - **优点**：可以复用现有类，灵活地复用功能。 - **缺点**：过多地使用适配器会使系统变得很复杂。 **2.3 Decorator模式** - **定义**：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式相比生成子类更为灵活。 - **应用场景**：需要扩展一个类的功能，或者给一个类添加附加职责时。 - **优点**：可以动态地给一个对象添加职责，增加功能方便。 - **缺点**：会产生很多具体装饰类。 **2.4 Composite模式** - **定义**：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。Composite使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。 - **应用场景**：需要表示对象的部分-整体层次结构时。 - **优点**：能够简化客户端代码，使得客户端代码可以一致地处理单个对象和组合对象。 - **缺点**：设计较为复杂，理解和实现的难度较大。 **2.5 Flyweight模式** - **定义**：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。 - **应用场景**：一个应用程序使用了大量的相同或相似的对象，造成很大的内存开销时。 - **优点**：大大减少内存中对象的数量，从而有效地节省内存空间。 - **缺点**：提高了系统的复杂度。 **2.6 Facade模式** - **定义**：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，Facade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。 - **应用场景**：需要为一个复杂子系统提供一个简单的接口时。 - **优点**：降低了客户端与子系统之间的耦合度。 - **缺点**：不能很好地限制客户端使用子系统类。 **2.7 Proxy模式** - **定义**：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。 - **应用场景**：远程代理、虚拟代理、保护代理等。 - **优点**：客户端可以通过代理间接地访问目标对象，从而达到增强功能的目的。 - **缺点**：增加了一些额外的处理开销。 #### 四、行为型模式 **3.1 Template Method模式** - **定义**：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。Template Method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。 - **应用场景**：多个类只区别的细节不同，而共用同一算法框架时。 - **优点**：封装不变的部分，开放可变的行为。 - **缺点**：每个不同的实现都需要一个子类来实现，导致类的个数增加。 **3.2 Strategy模式** - **定义**：定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以相互替换。本模式使得算法的变化可以独立于使用它的客户。 - **应用场景**：一个系统应当能动态地在几种算法中选择一种时。 - **优点**：策略模式可以避免使用多重条件判断语句。 - **缺点**：客户端必须了解所有的策略类，并自行决定使用哪一种策略类。 **3.3 State模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时刻根据状态改变它的行为时。 - **优点**：将与特定状态相关的行为局部化，并且将不同状态的行为分割开来。 - **缺点**：状态模式的使用必然会增加系统类和对象的个数。 **3.4 Observer模式** - **定义**：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。 - **应用场景**：当一个抽象模型存在两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面时。 - **优点**：对象之间的耦合度低。 - **缺点**：如果一个观察目标对象有很多直接和间接的观察者的话，将所有的观察者都通知到会花费很多时间。 **3.5 Memento模式** - **定义**：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。 - **应用场景**：需要在操作中保存/恢复数据时。 - **优点**：保持封装边界。 - **缺点**：消耗资源和空间，如果类的成员变量较多，尤其明显。 **3.6 Mediator模式** - **定义**：用一个中介对象来封装一系列的对象交互，Mediator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。 - **应用场景**：一组对象以定义良好但是复杂的方式进行通信时。 - **优点**：减少了对象之间的交互。 - **缺点**：中介者模式可能会带来新的问题。 **3.7 Command模式** - **定义**：将一个请求封装为一个对象，从而使你可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。 - **应用场景**：需要在不同的时刻指定请求、将请求排队和执行请求时。 - **优点**：降低了系统耦合度，新的命令可以很容易添加到系统中去。 - **缺点**：使用Command模式可能会导致某些系统有过多的具体命令类。 **3.8 Visitor模式** - **定义**：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以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。 - **应用场景**：一个对象结构包含很多类对象，它们有不同的接口，而你想对这些对象实施一些依赖于其具体类的操作时。 - **优点**：增加新的操作很容易，只要修改已存在的访问者类或增加新的访问者类就可以了。 - **缺点**：增加新的Element类很麻烦，必须对每一个Visitor类进行修改。 **3.9 Chain of Responsibility模式** - **定义**：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。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。 - **应用场景**：有多个对象可以处理一个请求，但是哪个对象处理该请求运行时刻自动确定时。 - **优点**：降低耦合度。 - **缺点**：不能保证请求一定被接收。 **3.10 Iterator模式** - **定义**：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。 - **应用场景**：访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示时。 - **优点**：它支持以不同的方式遍历一个聚合对象。 - **缺点**：增加了对象的复杂度。 **3.11 Interpreter模式** - **定义**：给出一个语言的文法，并且建立一个解释器来解释该语言中的句子。这里的“语言”是指使用规定格式和语法的代码。 - **应用场景**：当有一个语言需要解释执行，并且你可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时。 - **优点**：可扩展性比较好，灵活。 - **缺点**：对于复杂语言规范的类会比较多。 #### 五、结语 设计模式作为软件工程中的一种重要工具，不仅帮助开发者更好地解决实际问题，还提供了标准化的解决方案。通过对23种设计模式的学习和理解，可以显著提高软件设计的质量和效率。希望读者能够在实际项目中灵活运用这些设计模式，不断优化自己的代码和架构。