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七种常用设计原则
创建日期:
2021/01/10
修改日期:
2022/11/19
Java
设计模式
> 示例代码: GitHub:[https://github.com/Max-Qiu/demo/tree/main/demo-DesignPrinciple](https://github.com/Max-Qiu/demo/tree/main/demo-DesignPrinciple) Gitee:[https://gitee.com/Max-Qiu/demo/tree/main/demo-DesignPrinciple](https://gitee.com/Max-Qiu/demo/tree/main/demo-DesignPrinciple) --- > 本文档整理自视频教程:[尚硅谷_图解Java设计模式](http://www.atguigu.com/download_detail.shtml?v=202) # 设计原则核心思想 1. 找出应用中可能需要变化之处,把它们独立出来,不要和那些不需要变化的代码混在一起。 2. 针对接口编程,而不是针对实现编程。 3. 为了交互对象之间的`松耦合设计`而努力 # 单一职责原则 Single Responsibility Principle > 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时,可能造成职责2执行错误,所以需要将类A的粒度分解为A1、A2。 ## 问题示例 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/52473f148ad644698d659ef9a72cee9c.jpg) ```java /** * 交通工具类 */ class Vehicle { /** * 职责:运行 */ public void run(String vehicle) { System.out.println(vehicle + " 在公路上运行...."); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { Vehicle vehicle = new Vehicle(); vehicle.run("摩托车"); vehicle.run("汽车"); vehicle.run("飞机"); } ``` 问题: 1. run方法中,违反了单一职责原则 2. 解决方案:根据交通工具运行方法不同,分解成不同类即可 ## 改进方案1 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/1403f919393d4bc8bd14839a35ef4ffd.jpg) ```java class RoadVehicle { public void run(String vehicle) { System.out.println(vehicle + "公路运行"); } } class AirVehicle { public void run(String vehicle) { System.out.println(vehicle + "天空运行"); } } class WaterVehicle { public void run(String vehicle) { System.out.println(vehicle + "水中运行"); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { RoadVehicle roadVehicle = new RoadVehicle(); roadVehicle.run("摩托车"); roadVehicle.run("汽车"); AirVehicle airVehicle = new AirVehicle(); airVehicle.run("飞机"); WaterVehicle waterVehicle = new WaterVehicle(); waterVehicle.run("轮船"); } ``` 方案1的分析 1. 遵守单一职责原则 2. 问题:改动太大,即将类分解,同时修改客户端 3. 改进:直接修改类,改动的代码会比较少=>方案2 ## 改进方案2 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/c8ce28b0fd8c4b25bd4cf4d339326a03.jpg) ```java class Vehicle { public void run(String vehicle) { // 如果需要对某一个职责处理,仅需要修改方法即可 System.out.println(vehicle + " 在公路上运行...."); } public void runAir(String vehicle) { System.out.println(vehicle + " 在天空上运行...."); } public void runWater(String vehicle) { System.out.println(vehicle + " 在水中行...."); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { Vehicle vehicle = new Vehicle(); vehicle.run("汽车"); vehicle.runWater("轮船"); vehicle.runAir("飞机"); } ``` 方案2的分析 1. 没有对原来的类做大的修改,只是增加方法 2. 没有在类这个级别上遵守单一职责原则,但是在方法级别上,仍然是遵守单一职责 # 接口隔离原则 Interface Segregation Principle > 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** ## 问题示例 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/e96894dc99ad4da1acdff15740e4ae67.jpg) ```java /** * 交通工具接口 */ interface VehicleInterface { /** * 运输货物 */ void carryGoods(); /** * 在天上运行 */ void runningInTheSky(); /** * 在水上运行 */ void runningOnWater(); } /** * C919大飞机 */ class C919Plane implements VehicleInterface { @Override public void carryGoods() { System.out.println("C919大飞机运输货物"); } @Override public void runningInTheSky() { System.out.println("C919大飞机在天上运行"); } @Override public void runningOnWater() { System.out.println("C919大飞机不能在水上运行!!!"); } } /** * 泰坦尼克号 */ class Titanic implements VehicleInterface { @Override public void carryGoods() { System.out.println("泰坦尼克号运输货物"); } @Override public void runningInTheSky() { System.out.println("泰坦尼克号不能在天上运行!!!"); } @Override public void runningOnWater() { System.out.println("泰坦尼克号在水上运行"); } } /** * 飞机驾驶员 */ class AirPilot { public void carryGoods(VehicleInterface i) { i.carryGoods(); } public void runningInTheSky(VehicleInterface i) { i.runningInTheSky(); } public void runningOnWater(VehicleInterface i) { i.runningOnWater(); } } /** * 船长 */ class Captain { public void carryGoods(VehicleInterface i) { i.carryGoods(); } public void runningInTheSky(VehicleInterface i) { i.runningInTheSky(); } public void runningOnWater(VehicleInterface i) { i.runningOnWater(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { AirPilot airPilot = new AirPilot(); VehicleInterface plane = new C919Plane(); // AirPilot类通过接口去依赖(使用)C919Plane类 airPilot.carryGoods(plane); airPilot.runningInTheSky(plane); airPilot.runningOnWater(plane); Captain captain = new Captain(); VehicleInterface steamship = new Titanic(); // Captain类通过接口去依赖(使用)Titanic类 captain.carryGoods(steamship); captain.runningInTheSky(steamship); captain.runningOnWater(steamship); } ``` 问题:飞机驾驶员类通过运输工具接口依赖C919大飞机类,船长类通过运输工具接口依赖泰坦尼克类,如果运输工具接口对于类飞机驾驶员类和船长类来说不是最小接口,那么C919大飞机类和泰坦尼克类必须去实现他们不需要的方法。 ## 改进方案 按隔离原则应当这样处理:将接口拆分为独立的几个接口(运输工具类、飞机类、轮船类),飞机驾驶员类和船长类分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/f7d39d0b8667436abc01e66ddb704ed3.jpg) ```java /** * 运输工具 */ interface VehicleInterface { /** * 运输货物 */ void carryGoods(); } /** * 飞机接口 */ interface PlaneInterface extends VehicleInterface { /** * 在天上运行 */ void runningInTheSky(); } /** * 轮船接口 */ interface Steamship extends VehicleInterface { /** * 在水上运行 */ void runningOnWater(); } /** * C919大飞机 */ class C919Plane implements PlaneInterface { @Override public void carryGoods() { System.out.println("C919大飞机运输货物"); } @Override public void runningInTheSky() { System.out.println("C919大飞机在天上运行"); } } /** * 泰坦尼克号 */ class Titanic implements Steamship { @Override public void carryGoods() { System.out.println("泰坦尼克号运输货物"); } @Override public void runningOnWater() { System.out.println("泰坦尼克号在水上运行"); } } /** * 飞机驾驶员 */ class AirPilot { public void carryGoods(PlaneInterface i) { i.carryGoods(); } public void runningInTheSky(PlaneInterface i) { i.runningInTheSky(); } } /** * 船长 */ class Captain { public void carryGoods(Steamship i) { i.carryGoods(); } public void runningOnWater(Steamship i) { i.runningOnWater(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { AirPilot airPilot = new AirPilot(); PlaneInterface plane = new C919Plane(); // AirPilot类通过接口去依赖(使用)C919Plane类 airPilot.carryGoods(plane); airPilot.runningInTheSky(plane); Captain captain = new Captain(); Steamship steamship = new Titanic(); // Captain类通过接口去依赖(使用)Titanic类 captain.carryGoods(steamship); captain.runningOnWater(steamship); } ``` 改造后:飞机不会有runningOnWater(),轮船不会有runningInTheSky() # 依赖倒转原则 Dependence Inversion Principle 1. 高层模块不应该依赖低层模块,二者都应该依赖其抽象 2. 抽象不应该依赖细节,细节应该依赖抽象 3. 依赖倒转(倒置)的中心思想是 面向接口编程 4. 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,抽象的东西要稳定的多。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定的多。在 java 中,抽象指的是接口或抽象类,细节就是具体的实现类 5. 使用 接口或抽象类的目的是制定好 规范,而不涉及任何具体的操作,把 展现细节的任务交给他们的实现类去完成 ## 问题示例 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/43f62225e7654b0ab118732a5a9ae5bb.jpg) ```java /** * 电子邮件消息 */ class EmailMessage { public String printInfo() { return "电子邮件信息: hello,world"; } } class Person { /** * 接收消息 */ public void receiveMessage(EmailMessage emailMessage) { System.out.println(emailMessage.printInfo()); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { Person person = new Person(); person.receiveMessage(new EmailMessage()); } ``` 问题分析 1. 简单,比较容易想到 2. 如果我们获取的对象是微信消息,短信消息等等,则新增类,同时Peron也要增加相应的接收方法 解决思路: 引入一个抽象的接口IMessage, 表示消息, 这样Person类与接口IMessage发生依赖,因为EmailMessage, WeiXinMessage 等等属于消息的范围,他们各自实现IMessage接口就ok, 这样我们就符合依赖倒转原则 ## 改进方案 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/6d98c85157c641e2a250a4048cd74186.jpg) ```java /** * 消息接口 */ interface IMessage { String printInfo(); } /** * 电子邮件消息 */ class EmailMessage implements IMessage { @Override public String printInfo() { return "电子邮件信息: hello,world"; } } /** * 微信消息 */ class WeiXinMessage implements IMessage { @Override public String printInfo() { return "微信信息: hello,ok"; } } class Person { // 依赖接口 public void receive(IMessage message) { System.out.println(message.printInfo()); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { // 客户端无需改变 Person person = new Person(); person.receive(new EmailMessage()); person.receive(new WeiXinMessage()); } ``` ## 依赖关系传递的三种方式 示例公用类: ```java /** * 电视机接口 * * @author Max_Qiu */ public interface ITv { /** * 播放 */ void play(); } /** * 电视机实例 * * @author Max_Qiu */ public class ChangHongTv implements ITv { @Override public void play() { System.out.println("长虹电视机,打开"); } } ``` ### 接口传递 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/2317fac1cfc944789084fd180baba13b.jpg) ```java // 开关的接口 interface IOpenAndClose { // 抽象方法,接收接口 void open(ITv tv); } // 实现接口 class OpenAndClose implements IOpenAndClose { @Override public void open(ITv tv) { tv.play(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { ChangHongTv changHong = new ChangHongTv(); IOpenAndClose iOpenAndClose = new OpenAndClose(); iOpenAndClose.open(changHong); } ``` ### 构造方法传递 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/89820e41462043dda7f70c58f282e06d.jpg) ```java interface IOpenAndClose { // 抽象方法 void open(); } class OpenAndClose implements IOpenAndClose { // 成员变量 private ITv tv; // 构造器 public OpenAndClose(ITv tv) { this.tv = tv; } @Override public void open() { this.tv.play(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { ChangHongTv changHong = new ChangHongTv(); IOpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose(changHong); openAndClose.open(); } ``` ### setter方法传递 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/18714b768644426cbd3ec22d434a990f.jpg) ```java interface IOpenAndClose { // 抽象方法 void open(); void setTv(ITv tv); } class OpenAndClose implements IOpenAndClose { private ITv tv; @Override public void setTv(ITv tv) { this.tv = tv; } @Override public void open() { this.tv.play(); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { ChangHongTv changHong = new ChangHongTv(); IOpenAndClose openAndClose = new OpenAndClose(); openAndClose.setTv(changHong); openAndClose.open(); } ``` # 里氏替换原则 Liskov Substitution Principle OO中的继承性的思考和说明 1. 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。 2. 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 问题:在编程中,如何正确的使用继承? `=>`里氏替换原则 1. 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地使用其子类的对象。 2. 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 3. 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、赖依来解决问题。 ## 问题示例 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/78d5e15e63404e1890cd611fd352bc7f.jpg) ```java // A类 class ClassA { // 返回两个数的差 public int func1(int num1, int num2) { return num1 - num2; } } // B类继承了A class ClassB extends ClassA { // 这里,重写了A类的方法, 可能是无意识 @Override public int func1(int a, int b) { return a + b; } // 增加了一个新功能:完成两个数相减,然后和9求和 public int func2(int a, int b) { return func1(a, b) + 9; } } ``` ```java public static void main(String[] args) { ClassA classA = new ClassA(); System.out.println("11-3=" + classA.func1(11, 3)); // 11-3=8 System.out.println("-----------------------"); ClassB classB = new ClassB(); // 这里本意是求出11-3,但是结果却是14 System.out.println("11-3=" + classB.func1(11, 3)); // 11-3=14 System.out.println("11-3+9=" + classB.func2(11, 3)); // 11-3+9=23 } ``` 1. 我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误。原因就是类B无意中重写了父类的方法,造成原有功能出现错误。在实际编程中,我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能,这样写起来虽然简单,但整个继承体系的复用性会比较差。特别是运行多态比较频繁的时候 2. 通用的做法是:原来的父类和子类都继承一个更基础的基类,原有的继承关系去掉,采用依赖、聚合、组合等关系代替。 ## 改进方案 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/42d9af1cee414ed59f38cd8d32e68798.jpg) ```java // 创建一个更加基础的基类 class Base { // 把更加基础的方法和成员写到Base类 } // A类 class ClassA extends Base { // 返回两个数的差 public int func1(int num1, int num2) { return num1 - num2; } } // B类继承了A class ClassB extends Base { // 如果B需要使用A类的方法,使用组合关系 private ClassA classA = new ClassA(); public int func1(int a, int b) { return a + b; } // 增加了一个新功能:完成两个数相加,然后和9求和 public int func2(int a, int b) { return func1(a, b) + 9; } // 使用A的方法 public int func3(int a, int b) { return this.classA.func1(a, b); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { ClassA classA = new ClassA(); System.out.println("11-3=" + classA.func1(11, 3)); // 11-3=8 System.out.println("-----------------------"); ClassB classB = new ClassB(); // 因为B类不再继承A类,所以调用者不会再认为func1是求减法,调用的功能就会很明确 System.out.println("11+3=" + classB.func1(11, 3)); // 11+3=14 System.out.println("11+3+9=" + classB.func2(11, 3)); // 11+3+9=23 // 使用组合仍然可以使用到A类相关方法 System.out.println("11-3=" + classB.func3(11, 3)); // 11-3=8 } ``` # 开闭原则 Open Closed Principle 1. 一个软件实体如类,模块和函数应该对扩展开放(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。 2. 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。 3. 编程中遵循其它原则,以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。 ## 问题示例 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/a687f73046ef430394a5970f1ff54921.jpg) ```java // 这是一个用于绘图的类[使用方] class GraphicEditor { // 接收Shape对象,然后根据类型,来绘制不同的图形 public void drawShape(Shape s) { if (s.getType() == 1) { drawRectangle(s); } else if (s.getType() == 2) { drawCircle(s); } // 新增三角形类型判断 else if (s.getType() == 3) { drawTriangle(s); } } // 绘制矩形 public void drawRectangle(Shape r) { System.out.println(" 绘制矩形 "); } // 绘制圆形 public void drawCircle(Shape r) { System.out.println(" 绘制圆形 "); } // 新增绘制三角形 public void drawTriangle(Shape r) { System.out.println(" 绘制三角形 "); } } // Shape类,基类 class Shape { private int type; public int getType() { return type; } public void setType(int type) { this.type = type; } } class Rectangle extends Shape { public Rectangle() { setType(1); } } class Circle extends Shape { public Circle() { setType(2); } } // 新增画三角形 class Triangle extends Shape { public Triangle() { setType(3); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor(); graphicEditor.drawShape(new Rectangle()); graphicEditor.drawShape(new Circle()); graphicEditor.drawShape(new Triangle()); } ``` 1. 优点是比较好理解,简单易操作。 2. 缺点是违反了设计模式的OCP原则,即对扩展开放(提供方),对修改关闭(使用方)。即当我们给类增加新功能的时候,尽量不修改代码,或者尽可能少修改代码。 比如我们这时要新增加一个图形种类三角形,我们需要修改的地方较多 ## 改进方案 > 思路: 把创建Shape类做成抽象类,并提供一个抽象的draw方法,让子类去实现即可,这样我们有新的图形种类时,只需要让新的图形类继承Shape,并实现draw方法即可,修使用方的代码就不需要修`->`满足了开闭原则 ![](https://cdn2.maxqiu.com/upload/5b7626ec8bb243c4a425bb82f2fd6590.jpg) ```java // 这是一个用于绘图的类 [使用方] class GraphicEditor { // 接收Shape对象,调用draw方法 public void drawShape(Shape s) { s.draw(); } } // Shape类,基类 abstract class Shape { private int type; public int getType() { return type; } public void setType(int type) { this.type = type; } // 抽象方法 public abstract void draw(); } class Rectangle extends Shape { public Rectangle() { setType(1); } @Override public void draw() { System.out.println(" 绘制矩形 "); } } class Circle extends Shape { public Circle() { setType(2); } @Override public void draw() { System.out.println(" 绘制圆形 "); } } // 新增画三角形 class Triangle extends Shape { public Triangle() { setType(3); } @Override public void draw() { System.out.println(" 绘制三角形 "); } } ``` ```java public static void main(String[] args) { GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor(); graphicEditor.drawShape(new Rectangle()); graphicEditor.drawShape(new Circle()); graphicEditor.drawShape(new Triangle()); } ``` # 迪米特法则 Demeter Principle > 又叫`最少知道原则` 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,对外仅提供的public方法 迪米特法则另一个定义: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局部变量的形式出现在类的内部。 > 示例代码场景: 有一个学校,下属有总部和各个学院,现要求打印出学校总部员工ID和学院员工的ID ```java /** * 学校总部员工类 */ public class Employee { private String id; public Employee setId(String id) { this.id = id; return this; } public String getId() { return id; } } /** * 学院的员工类 */ public class CollegeEmployee { private String id; public CollegeEmployee setId(String id) { this.id = id; return this; } public String getId() { return id; } } ``` ## 问题示例 ```java // 学院管理类 class CollegeManager { // 返回学院的所有员工 public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() { List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<>(); 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 class SchoolManager { // 返回学校总部的员工 public List<Employee> getAllEmployee() { List<Employee> list = new ArrayList<>(); for (int i = 0; i < 5; i++) { Employee emp = new Employee(); emp.setId("学校总部员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id) public void printAllEmployee(CollegeManager collegeManager) { // 获取到学院员工 List<CollegeEmployee> list1 = collegeManager.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()); } } } ``` ```java public static void main(String[] args) { // 创建了一个 SchoolManager 对象 SchoolManager schoolManager = new SchoolManager(); // 输出学院的员工id 和 学校总部的员工信息 schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager()); } ``` 问题: 在`printAllEmployee()`方法中,CollegeEmployee不是SchoolManager的直接朋友,CollegeEmployee是以局部变量方式出现在SchoolManager中,违反了迪米特法则 ## 改进方案 ```java // 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<>(); 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() { // 获取到学院员工 List<CollegeEmployee> list1 = getAllEmployee(); System.out.println("------------学院员工------------"); for (CollegeEmployee e : list1) { System.out.println(e.getId()); } } } // 学校管理类 class SchoolManager { // 返回学校总部的员工 public List<Employee> getAllEmployee() { List<Employee> list = new ArrayList<>(); // 这里我们增加了5个员工到 list for (int i = 0; i < 5; i++) { Employee emp = new Employee(); emp.setId("学校总部员工id= " + i); list.add(emp); } return list; } // 该方法完成输出学校总部和学院员工信息(id) void printAllEmployee(CollegeManager collegeManager) { // 将输出学院的员工方法,封装到CollegeManager collegeManager.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()); } } } ``` ```java public static void main(String[] args) { System.out.println("~~~使用迪米特法则的改进~~~"); // 创建了一个 SchoolManager 对象 SchoolManager schoolManager = new SchoolManager(); // 输出学院的员工id 和 学校总部的员工信息 schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager()); } ``` # 合成复用原则 Composite Reuse Principle > 尽量使用合成/聚合的方式,而不是使用继承
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