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六大设计原则与23种设计模式总结（超详细）_编程六种设计思路

作者：正经夜光杯 | 2024-08-01 12:59:55

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编程六种设计思路

六大设计原则

一、单一职责原则

1、概念描述

单一职责原则要求一个接口或类只有一个原因引起变化，也就是说一个接口或一个类只有一个原则，它就只负责一件事。

2、案例演示

这里基于方法和类的细化都可以，可以根据实际业务选择。

class Animal {
    public void dogVoice (){
        System.out.println("狗叫声：旺旺");
    }
    public void cowVoice (){
        System.out.println("牛叫声：哞哞");
    }
}
class DogVoice {
    public String getDogVoice (){
        return "旺旺" ;
    }
}
class CowVoice {
    public String getCowVoice (){
        return "哞哞" ;
    }
}

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3、注意事项

减少代码一处变更引起的程序大规模改动情况，降低类的复杂度，提高类的可读性，可维护性。通常情况下，需要遵守单一职责原则，可以适当违反单一职责原则。

二、接口隔离原则

1、概念描述

用于处理胖接口（fat interface）所带来的问题。如果类的接口定义暴露了过多的行为，则说明这个类的接口定义内聚程度不够好。换句话说，类的接口可以被分解为多组功能函数的组合，每一组都服务于不同的客户类，而不同的客户类可以选择使用不同的功能分组。

2、案例演示

interface ReadBlog {
    String getBlog () ;
}
interface AdminBlog {
    Boolean insertBlog () ;
    Boolean updateBlog () ;
    Boolean deleteBlog () ;
}
/**
 * 读者只开放博客阅读接口
 */
class Reader implements ReadBlog {
    @Override
    public String getBlog() {
        return null;
    }
}
/**
 * 管理员有博客全部的管理权限
 */
class AdminUser implements AdminBlog,ReadBlog {
    @Override
    public String getBlog() {
        return null;
    }
    @Override
    public Boolean insertBlog() {
        return null;
    }
    @Override
    public Boolean updateBlog() {
        return null;
    }
    @Override
    public Boolean deleteBlog() {
        return null;
    }
}

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3、注意事项

接口的设计粒度越小，则应用系统程序越灵活，程序变得灵活也就意味同时结构复杂性提高，开发开发和理解的难度也会变大，可维护性降低。

三、依赖倒转原则

1、概念描述

1、上层模块不应该依赖底层模块，它们都应该依赖于抽象。
2、抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。

高层模块不应该依赖低层模块，两者应依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象；中心思想是面向接口编程。

2、案例演示

public class C01_FarmFactory {
    public static void main(String[] args) {
        Animal animal = new Dog() ;
        FarmFactory farm = new Farming() ;
        farm.breed(animal) ;
        animal = new Pig() ;
        farm.breed(animal) ;
    }
}
/**
 * 接口声明依赖对象
 */
interface FarmFactory {
    void breed (Animal animal) ;
}
class Farming implements FarmFactory {
    @Override
    public void breed(Animal animal) {
        System.out.println("农场饲养："+animal.getAnimalName());
    }
}
interface Animal {
    String getAnimalName () ;
}
class Dog implements Animal {
    @Override
    public String getAnimalName() {
        return "牧羊犬";
    }
}
class Pig implements Animal {
    @Override
    public String getAnimalName() {
        return "土猪一号";
    }
}

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3、注意事项

相对于系统开发的多变性，抽象的相对稳定。以抽象为基础搭建的架构比以细节为基础的架构要稳定灵活。下层模块尽量都要有抽象类或接口，程序稳定性更好。变量的声明类型尽量是抽象类或接口,这样变量引用和实际对象之间存在一个过渡空间，利于程序扩展和优化。

四、里氏替换原则

1、概念描述

假设如下场景：

  • 存在，一个类型T1，和实例的对象O1
  • 存在，一个类型T2，和实例的对象O2

如果将所有类型为T1的对象O1都替换成类型T2的对象O2，程序的行为不发生改变。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、案例演示

public class C01_Calculate {
    public static void main(String[] args) {
        BizCalculate bizCalculate = new BizCalculate() ;
        System.out.println(bizCalculate.add(2,3));
    }
}
class Calculate { }
class BaseCalculate extends Calculate {
    public int add (int a,int b){
        return a+b;
    }
}
/**
 * 这里使用组合的方式完成计算
 */
class BizCalculate extends Calculate {
    private BaseCalculate baseCalculate = new BaseCalculate() ;
    public int add (int a,int b){
        return this.baseCalculate.add(a,b);
    }
}

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3、注意事项

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;子类可以扩展父类的功能，但不能改变原有父类的功能；在适当的情况下，可以通过聚合，组合，依赖等方式解决问题。

五、开闭原则

1、概念描述

开闭原则是编程中最基础、最重要的设计原则，在代码结构的设计设计时，应该考虑对扩展开放，对修改关闭，抽象思维搭建结构，具体实现扩展细节。

2、案例演示

public class C01_BookPrice {
    public static void main(String[] args) {
        ParityBook parityBook = new DiscountBook("Java",100.00) ;
        System.out.println(parityBook.getPrice());
    }
}
interface Book {
    String getName () ;
    Double getPrice () ;
}
/**
 * 平价书籍
 */
class ParityBook implements Book {
    private String name ;
    private Double price ;
    public ParityBook(String name, Double price) {
        this.name = name;
        this.price = price;
    }
    @Override
    public String getName() {
        return this.name ;
    }
    @Override
    public Double getPrice() {
        return this.price ;
    }
}
/**
 * 打折数据扩展价格计算策略
 */
class DiscountBook extends ParityBook {
    public DiscountBook(String name, Double price) {
        super(name, price);
    }
    @Override
    public Double getPrice() {
        double oldPrice = super.getPrice();
        return oldPrice * 0.8 ;
    }
}

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3、注意事项

基于开闭原则设计的代码结构可以提高复用性和可维护性，通过接口或抽象类可以约束类的变化行为，基于指定策略对变化行为进行封装，并且能够实现对扩展开放，使用设计模式的基本原则就是遵循开闭原则。

六、迪米特原则

1、概念描述

迪米特原则又叫最少知道原则，即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。对外除了提供的public方法，不对外开放任何信息。类与类关系越密切，耦合度越大，耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。

  • 直接朋友概念

两个对象之间有耦合关系，就说这两个对象之间是朋友关系。其中出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类称为直接朋友，而出现在局部变量中的类不是直接朋友。从原则上说，陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。

2、案例演示

public class C01_Employee {
    public static void main(String[] args) {
        HeadCompanyEmpManage empManage = new HeadCompanyEmpManage() ;
        BranchCompanyEmpManage branchEmp = new BranchCompanyEmpManage() ;
        empManage.printEmp(branchEmp);
    }
}
/**
 * 总公司员工
 */
class HeadCompanyEmp {
    public String name ;
    public HeadCompanyEmp(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "HeadCompanyEmp{name='" + name + '}';
    }
}
/**
 * 分公司员工
 */
class BranchCompanyEmp {
    public String name ;
    public BranchCompanyEmp(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "BranchCompanyEmp{name='" + name + '}';
    }
}
/**
 * 分公司员工管理
 */
class BranchCompanyEmpManage {
    // 添加分公司员工
    public List<BranchCompanyEmp> addEmp (){
        List<BranchCompanyEmp> list = new ArrayList<>() ;
        for (int i = 1 ; i <= 3 ; i++){
            list.add(new BranchCompanyEmp("分公司员工"+i)) ;
        }
        return list ;
    }
    // 获取分公司员工
    public void printBranchCompanyEmp (){
        List<BranchCompanyEmp> list = addEmp () ;
        for (BranchCompanyEmp emp:list){
            System.out.println(emp);
        }
    }
}
/**
 * 总公司员工管理,基于迪米特原则,不出现陌生类
 */
class HeadCompanyEmpManage {
    // 添加总公司员工
    public List<HeadCompanyEmp> addHeadEmp (){
        List<HeadCompanyEmp> list = new ArrayList<>() ;
        for (int i = 1 ; i <= 3 ; i++){
            list.add(new HeadCompanyEmp("总公司员工"+i)) ;
        }
        return list ;
    }
    public void printEmp (BranchCompanyEmpManage empManage){
        // 打印分公司员工
        empManage.printBranchCompanyEmp();
        List<HeadCompanyEmp> headEmpList = addHeadEmp () ;
        for (HeadCompanyEmp headCompanyEmp:headEmpList){
            System.out.println(headCompanyEmp);
        }
    }
}

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3、注意事项

迪米特原则的初衷是降低类之间的耦合，由于每个类都减少了不必要的依赖，因此可以降低耦合关系。降低耦合关系，并不是要求完全没有依赖关系，过度的使用迪米特原则，容易产生大量的中间类，导致复杂度变大。所以在使用迪米特原则时要根据实际业务权衡。

七、设计原则总结

设计模式和设计原则的核心思想都是：判断业务应用中可能会变化模块，并且把这些模块独立出来，基于指定的策略进行封装，不要和那些变化的不大的模块耦合在一起，封装思想上基于接口和抽象类，而不是针对具体的实现编程。核心目的就是降低交互对象之间的松耦合度。设计模式和原则都不是可以生搬硬套的公式，个人理解：只要形似，神韵就自然不差。

23种设计模式

单例模式

一、简介

1、概念图解

单例设计模式定义：确保这个类只有一个实例，并且自动的实例化向系统提供这个对象。

2、样例代码

package com.model.test;
public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        if (singleton == null){
            singleton = new Singleton() ;
        }
        return singleton ;
    }
    public static void main(String[] args) {
        Singleton singleton1 = Singleton.getInstance() ;
        Singleton singleton2 = Singleton.getInstance() ;
        /**
         * com.model.test.Singleton@15db9742
         * com.model.test.Singleton@15db9742
         */
        System.out.println(singleton1);
        System.out.println(singleton2);
    }
}

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Singleton称为单例类，构造函数使用private修饰，确保系统中只能产生一个实例，并且自动生成的。上面代码也就是所谓的懒汉式加载：只有到使用该对象的时候才来创建，意思饿了才来做饭吃。

二、线程安全问题

在上面的代码中存在一个很明显的线程安全问题，当有多条线程来请求对象实例的时候，因为对象的创建是需要时间的，假设A线程进来判断singleton == null，就会进入对象的创建过程，这时如果同时在过来几条线程，那么他们都会得到一个对象实例，这个就是所谓的线程安全问题。

1、同步控制方式

package com.model.test;
public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = null;
    private Singleton (){}
    public static synchronized Singleton getInstance (){
        if (singleton == null){
            singleton = new Singleton() ;
        }
        return singleton ;
    }
}

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这样操作会影响系统性能

2、饿汉式加载

public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    private static Singleton singleton = new Singleton();
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        return singleton ;
    }
}

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这里先把对象创建出来，有需要直接使用；

3、双重检查

public class Singleton {
    // 使用静态变量记录唯一实例
    // volatile可以确保当singleton被初始化后，多线程才可以正确处理
    // 被volatile修饰的变量的值，将不会被本地线程缓存
    // 对该变量读写都是直接操作共享内存，确保多个线程能正确的处理该变量。
    private static volatile Singleton singleton = null ;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance (){
        // 如果实例不存在，则进入同步区
        if (singleton == null){
            // 只有第一次才会彻底执行这里面的代码
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null){
                    singleton = new Singleton() ;
                }
            }
        }
        return singleton ;
    }
}

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4、枚举方式

package com.model.design.base.node01.singleton;
import org.junit.Test;
/**
 * 类级内部类里面创建对象实例
 */
public class C06_Singleton {
 @Test
 public void test01 (){
 SingletonDemo INSTANCE1 = SingletonDemo.INSTANCE ;
 SingletonDemo INSTANCE2 = SingletonDemo.INSTANCE ;
 System.out.println(INSTANCE1 == INSTANCE2);
 INSTANCE1.info();
 INSTANCE2.info();
 }
}
enum SingletonDemo {
 INSTANCE ;
 public void info (){
 System.out.println("枚举方式实现单例");
 }
}

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三、延迟类初始化

1、基础概念

1)、类级内部类
　　简单点说，类级内部类指的是，有static修饰的成员式内部类。如果没有static修饰的成员式内部类被称为对象级内部类。
　　类级内部类相当于其外部类的static成分，它的对象与外部类对象间不存在依赖关系，因此可直接创建。而对象级内部类的实例，是绑定在外部对象实例中的。
　　类级内部类中，可以定义静态的方法。在静态方法中只能够引用外部类中的静态成员方法或者成员变量。
　　类级内部类相当于其外部类的成员，只有在第一次被使用的时候才被会装载。
　　
2)、多线程缺省同步锁
　　在多线程开发中，为了解决并发问题，主要是通过使用synchronized来加互斥锁进行同步控制。但是在某些情况中，JVM已经隐含地执行了同步，这些情况下就不用自己再来进行同步控制了。这些情况包括：

   1.由静态初始化器（在静态字段上或static{}块中的初始化器）初始化数据时
　　2.访问final字段时
　　3.在创建线程之前创建对象时
　　4.线程可以看见它将要处理的对象时

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2、实现方式

要想很简单地实现线程安全，可以采用静态初始化器的方式，它可以由JVM来保证线程的安全性。比如前面的饿汉式实现方式，在类装载的时候就初始化对象，不管是否需要，存在一定的空间浪费。
一种可行的方式就是采用类级内部类，在这个类级内部类里面去创建对象实例。这样一来，只要不使用到这个类级内部类，那就不会创建对象实例，从而同时实现延迟加载和线程安全。

public class LazySingleton {
    /**
     * 类级内部类
     */
    private static class SingletonHolder {
        private static LazySingleton lazySingleton = new LazySingleton() ;
    }
    public static LazySingleton getInstance (){
        return SingletonHolder.lazySingleton ;
    }
    public static void main(String[] args) {
        LazySingleton lazySingleton1 = LazySingleton.getInstance() ;
        LazySingleton lazySingleton2 = LazySingleton.getInstance() ;
        /**
         * com.model.test.LazySingleton@15db9742
         * com.model.test.LazySingleton@15db9742
         */
        System.out.println(lazySingleton1+";;"+lazySingleton2);
    }
}

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四、JDK源码应用

Runtime单例实现源码。

1、案例演示

/**
 * JDK 单例模式分析
 */
public class C07_Singleton {
 public static void main(String[] args) {
 Runtime runtime1 = Runtime.getRuntime() ;
 Runtime runtime2 = Runtime.getRuntime() ;
 /*
 * 1229416514
 * 1229416514
 */
 System.out.println(runtime1.hashCode());
 System.out.println(runtime2.hashCode());
 }
}

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2、源代码分析

public class Runtime {
 private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
 public static Runtime getRuntime() {
 return currentRuntime;
 }
 private Runtime() {}
}

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基于饿汉模式实现的单例模式。

五、Spring框架应用

1、创建测试类

public class UserBean {
}

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2、Spring配置文件

<!-- 单例Bean -->
<bean id="user" 
class="com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean" />

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3、测试读取Bean对象

package com.model.design.spring.node01.singleton;
import org.junit.Test;
import org.springframework.context.ApplicationContext;
import org.springframework.context.support.ClassPathXmlApplicationContext;
/**
 * Spring框架中单例模式
 */
public class S01_Singleton {
    @Test
    public void test01 (){
        ApplicationContext context01 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        ApplicationContext context02 = new ClassPathXmlApplicationContext("/spring/spring-context.xml");
        UserBean user01 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user02 = (UserBean)context01.getBean("user") ;
        UserBean user03 = (UserBean)context02.getBean("user") ;
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user01);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@364841
        System.out.println(user02);
        // com.model.design.spring.node01.singleton.UserBean@c4711c
        System.out.println(user03);
    }
}

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结论
Spring单例模式与纯粹的单例设计模式的主要区别
尽管使用相同的类加载器来加载两个应用程序上下文，但是UserBean的实例是不一样的。也就是Spring框架中的单例对象是基于应用程序中。

六、单例模式总结

1、注意事项

单例模式注意事项和细节说明
1) 单例模式保证了 系统内存中该类只存在一个对象，节省了系统资源，对于一些需要频繁创建销毁的对象，使用单例模式可以提高系统性能。
2) 当想实例化一个单例类的时候，必须要记住使用相应的获取对象的方法，而不是使用new Object() 的方式。
3) 单例模式使用的场景：需要频繁的进行创建和销毁的对象、创建对象时耗时过多或耗费资源过多(即：重量级对象)，但又经常用到的对象。

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2、优缺点

优点：
1、单例模式只会创建一个对象实例，减少内存消耗
2、设置全局访问点，优化共享资源的访问
缺点：
1、没有接口，很难扩展
2、不利于测试
3、与单一职责原则冲突

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