C++笔记十一（C++设计模式）

本周内容
（1）设计模式简介
（2）面向对象设计原则
（3）模板方法
（4）策略模式
（5）观察者模式
（6）装饰模式
（7）桥模式

一 设计模式简介

• 课程目标
  • 理解松耦合设计思想
  • 掌握面向对象设计原则
  • 掌握重构技巧改善设计
  • 掌握GOF 核心设计模式

什么是设计模式？每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心。这样，你就能一次又一次地使用该方案而不必做重复劳动————Christopher Alexander。
历史性著作《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中描述了种经典面向对象设计模式，创立了模式在软件设计中的地位。由于《设计模式》一书确定了设计模式的地位，通常所说的设计模式隐含地表示“面向对象设计模式”。但这并不意味“设计模式”就等于“面向对象设计模式”。

从面向对象谈起

• 底层思维：向下，如何把握机器底层从微观理解对象构造
  • 语言构造
  • 编译转换
  • 内存模型
  • 运行时机制
• 抽象思维：向上，如何将我们的周围世界抽象为程序代码
  • 面向对象
  • 组件封装
  • 设计模式
  • 架构模式

深入理解面向对象

• 向下：深入理解三大面向对象机制
  • 封装，隐藏内部实现
  • 继承，复用现有代码
  • 多态，改写对象行为
• 向上：深刻把握面向对象机制所带来的抽象意义，理解如何使用这些机制来表达现实世界，掌握什么是“好的面向对象设计”。

软件设计复杂的根本原因：1.客户需求的变化；2.技术平台的变化；3.开发团队的变化；4.市场环境的变化。所以代码的复用性对于效率的提升是非常行之有效的。

通常解决复杂性有两种方式（对这两种方式更深的理解详见Mypain代码例子）

• 分解：人们面对复杂性有一个常见的做法：即分而治之，将大问题分解为多个小问题，将复杂问题分解为多个简单问题。
• 抽象：更高层次来讲，人们处理复杂性有一个通用的技术，即抽象。由于不能掌握全部的复杂对象，我们选择忽视它的非本质细节，而去处理泛化和理想化了的对象模型。

二 面向对象设计原则

• 理解隔离变化
  • 从宏观层面来看，面向对象的构建方式更能适应软件的变化，能将变化所带来的影响减为最小
• 各司其职
  • 从微观层面来看，面向对象的方式更强调各个类的“负责”
  • 由于需求变化导致的新增类型不应该影响原来类型的实现——是所谓各负其责
• 对象是什么？
  • 从语言实现层面来看，对象封装了代码和数据。
  • 从规格层面讲，对象是一系列可被使用的公共接口。
  • 从概念层面讲，对象是某种拥有责任的抽象。

两个非常相似的代码可能设计模式完全不一样，两个相差千里的代码可能设计模式是类似的。

设计原则一：实例代码中第一种Mainform依赖Line和Rect，这是不好的，第二种Mainform依赖一个抽象Shape，Line和Rect依赖Shape，实现隔离变化。

• 依赖倒置原则（DIP）
  • 高层模块（稳定）不应该依赖于低层模块（变化），二者都应该依赖于抽象（稳定）。
  • 抽象（稳定）不应该依赖于实现细节（变化），实现细节应该依赖于抽象（稳定）。

设计原则二：比如某公司制造了一批桌子，后来顾客有防火等级的需求，笨的做法是把这些桌子扔掉，聪明的办法是在桌子上涂上防火材料。

• 开放封闭原则（OCP）
  • 对扩展开放，对更改封闭。
  • 类模块应该是可拓展的，但是不可修改。

设计原则三：

• 单一职责原则（SRP）
  • 一个类应该仅有一个引起它变化的原因。
  • 变化的方向隐含着类的责任。

设计原则四：

• Liskov替换原则（LSP）
  • 子类必须能够替换它们的基类（IS-A）。
  • 继承表达类型抽象。

设计原则五：只是子类使用protected，本类使用private，真正有需要就public。

• 接口隔离原则（ISP）
  • 不应该强迫客户程序依赖它们不用的方法。
  • 接口应该小而完备。

设计原则六：

• 优先使用对象组合，而不是类继承
  • 类继承通常为“白箱复用”，对象组合通常为“黑箱复用”。
  • 继承在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高。
  • 而对象组合则只要求被组合的对象具有良好定义的接口，耦合度低。

设计原则七：一般层次对封装的理解是封装数据和代码，更高层次的理解是封装变化层，一侧稳定，一侧不稳定。

• 封装变化点：
  • 使用封装来创建对象之间的分界层，让设计者可以在分界层的一侧进行修改，而不会对另一侧产生不良的影响，从而实现层次间的松耦合。

设计原则八

• 针对接口编程，而不是针对实现编程
  • 不将变量类型声明为某个特定的具体类，而是声明为某个接口。
  • 客户程序无需获知对象的具体类型，只需要知道对象所具有的接口。
  • 减少系统类型中各部分的依赖关系，从而实现“高内聚、松耦合”的类型设计方案。

将设计原则提升为设计经验

• 设计习语Design Idioms
  • Design Idioms描述与特定编程语言相关的低层模式，技巧，惯用法。
• 设计模式Design Patterns
  • Design Patterns主要描述的是“类与相互通信的对象之间的组织关系，包括它们的角色、职责、协作方式等方面。
• 架构模式Architectural Patterns
  • Architectural Patterns描述系统中与基本结构组织关系密切的高层模式，包括子系统划分，职责，以及如何组织它们之间关系的规则。

• GOF-23模板分类

• 从目的来看:
  • 创建型（Creational）模式：将对象的部分创建工作延迟到子类或者其他对象，从而应对需求变化为对象创建时具体类型实现引来的冲击。
  • 结构型（Structural）模式：通过类继承或者对象组合获得更灵活的结构，从而应对需求变化为对象的结构带来的冲击。
  • 行为型（Behavioral）模式：通过类继承或者对象组合来划分类与对象间的职责，从而应对需求变化为多个交互的对象带来的冲击。
• 从范围来看：
  • 类模式处理类与子类的静态关系
  • 对象模式处理对象间的动态关系

模式分类.png

• 重构获得模式Refactoring to Patterns
  • 面向对象设计模式是“好的面向对象设计”，所谓“好的面向对象设计”指是那些可以满足“应对变化，提高复用”的设计。
  • 现代软件设计的特征是“需求的频繁变化”。设计模式的要点是“寻求变化点，然后在变化点处应用设计模式，从而来更好地应对需求的变化”。“什么时候、什么地点应用设计模式”比“理解设计模式结构本身”更为重要。
  • 设计模式的应用不宜先入为主，一上来就使用设计模式是对设计模式的最大误用。没有一步到位的设计模式。敏捷软件开发实践提倡的“Refactoring to Patterns”是目前普遍公认的最好的使用设计模式的方法。

重构关键技法

• 静态->动态
• 早绑定->晚绑定
• 继承->组合
• 编译时依赖->运行时依赖
• 紧耦合->松耦合

三 模板方法

• “组件协作”模式：现代软件专业分工之后的第一个结果是“框架与应用程序的划分”，“组件协作”模式通过晚期绑定，来实现框架与应用程序之间的松耦合，是二者之间协作时常用的模式。典型模式：Template Method、Strategy、Observer/Event

动机

• 在软件构建过程中，对于某一项任务，它常常有稳定的整体操作结构，但各个子步骤却有很多改变的需求，或者由于固定的原因（比如框架与应用之间的关系）而无法和任务的整体结构同时实现。
• 如何在确定稳定操作结构的前提下，来灵活应对各个子步骤的变化或者晚期实现需求？

• 基类析构函数要写成虚析构函数，如果不写虚的，主程序delete的时候可能调用不到子类的析构函数。

• 早绑定：后写的调用先写的
  晚绑定：先写的调用后写的

• 所有都是稳定或者不稳定都不适用设计模式，设计模式最大的作用就是在变化和稳定中间寻找隔离点，然后来分离他们，从而来管理变化，生动的例子：把变化的让它像小兔子一样关在笼子里在房间里跳不至于把房间污染掉。

• 模式定义：定义一个操作中的算法的骨架（稳定），而将一些步骤延迟（变化）到子类中。Template Method使得子类可以不改变（复用）一个算法的结构即可重定义（override重写）该算法的某些特定步骤。——《设计模式》GoF

对比两种设计方式：
方式一结构化软件设计流程

//程序库开发人员
class Library{

public:
    void Step1(){
        //...
    }

    void Step3(){
        //...
    }

    void Step5(){
        //...
    }
};
//应用程序开发人员
class Application{
public:
    bool Step2(){
        //...
    }

    void Step4(){
        //...
    }
};

int main()
{
    Library lib();
    Application app();

    lib.Step1();

    if (app.Step2()){
        lib.Step3();
    }

    for (int i = 0; i < 4; i++){
        app.Step4();
    }

    lib.Step5();

}

结构化软件设计流程.png

方式二面向对象软件设计流程

//应用程序开发人员
class Application : public Library {
protected:
    virtual bool Step2(){
        //... 子类重写实现
    }

    virtual void Step4() {
        //... 子类重写实现
    }
};




int main()
    {
        Library* pLib=new Application();
        lib->Run();

        delete pLib;
    }
}
//程序库开发人员
class Library{
public:
    //稳定 template method
    void Run(){
        
        Step1();

        if (Step2()) { //支持变化 ==> 虚函数的多态调用
            Step3(); 
        }

        for (int i = 0; i < 4; i++){
            Step4(); //支持变化 ==> 虚函数的多态调用
        }

        Step5();

    }
    virtual ~Library(){ }

protected:
    
    void Step1() { //稳定
        //.....
    }
    void Step3() {//稳定
        //.....
    }
    void Step5() { //稳定
        //.....
    }

    virtual bool Step2() = 0;//变化
    virtual void Step4() =0; //变化
};

面向对象软件设计流程.png

第二种设计方式代码的复用性比第一种高。

结构（Structure）：TemplateMethod()是稳定的，PrimitiveOperation1()和PrimitiveOperation2()是变化的

模板方式结构.png

要点总结

• Template Method模式是一种非常基础性的设计模式，在面向对象系统中有着大量的应用。它用最简洁的机制（虚函数的多态性）为很多应用程序框架提供了灵活的扩展点，是代码复用（二进制运行时刻的复用，不是代码的复用）方面的基本实现结构。
• 除了可以灵活应对子步骤的变化外，“不要调用我，让我来调用你”的反向控制结构是Template Method的典型应用。
• 在具体实现方面，被Template Method调用的虚方法可以具有实现，也可以没有任何实现（抽象方法、纯虚方法），但一般推荐将它们设置为protected方法。

四 策略模式

动机

• 在软件构建过程中，某些对象使用的算法可能多种多样，经常改变，如果将这些算法都编码到对象中，将会使对象变得异常复杂；而且有时候支持不使用的算法也是一个性能负担。

• 如何在运行时根据需要透明地更改对象的算法？将算法与对象本身解耦，从而避免上述问题？

• 模式定义
  定义一系列算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可互相替换（变化）。该模式使得算法可独立于使用它的客户程序（稳定）而变化（扩展，子类化）。————《设计模式》GoF

对比传统if-else方式和策略模式

//if-else方式
enum TaxBase {
    CN_Tax,
    US_Tax,
    DE_Tax,
    FR_Tax       //更改
};

class SalesOrder{
    TaxBase tax;
public:
    double CalculateTax(){
        //...
        
        if (tax == CN_Tax){
            //CN***********
        }
        else if (tax == US_Tax){
            //US***********
        }
        else if (tax == DE_Tax){
            //DE***********
        }
        else if (tax == FR_Tax){  //更改
            //...
        }

        //....
     }
    
};

//策略模式
class TaxStrategy{
public:
    virtual double Calculate(const Context& context)=0;
    virtual ~TaxStrategy(){}
};


class CNTax : public TaxStrategy{
public:
    virtual double Calculate(const Context& context){
        //***********
    }
};

class USTax : public TaxStrategy{
public:
    virtual double Calculate(const Context& context){
        //***********
    }
};

class DETax : public TaxStrategy{
public:
    virtual double Calculate(const Context& context){
        //***********
    }
};



//扩展
//*********************************
class FRTax : public TaxStrategy{
public:
    virtual double Calculate(const Context& context){
        //.........
    }
};


class SalesOrder{
private:
    TaxStrategy* strategy;

public:
    SalesOrder(StrategyFactory* strategyFactory){
        this->strategy = strategyFactory->NewStrategy();
    }
    ~SalesOrder(){
        delete this->strategy;
    }

    public double CalculateTax(){
        //...
        Context context();
        
        double val = 
            strategy->Calculate(context); //多态调用
        //...
    }
    
};

第一种if-else方式违反了开放封闭原则，扩展需要更改源代码，代码复用性不高，而第二种策略模式则很好地优化这点，但是当情况是固定的比如一周有七天，每天都干什么，则可使用if-else方式
。
策略模式结构图：Context和Strategy是稳定的，ConcreteStrategyA、ConcreteStrategyB、ConcreteStrategyC是变化的。

策略结构.png

要点总结

• Strategy及其子类为组件提供了一系列可重用的算法，从而可以使得类型在运行时方便地根据需要在各个算法之间进行切换。
• Strategy模式提供了用条件判断语句以外的另一种选择，消除条件判断语句，就是在解耦合。含有许多条件判断语句的代码通常都需要Strategy模式。
• 如果Strategy对象没有实例变量，那么各个上下文可以共享同一个Strategy对象，从而节省对象开销。

五 观察者模式

动机

• 在软件构建过程中，我们需要为某些对象建立一种“通知依赖关系”————一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（观察者对象）都将得到通知。如果这样的依赖关系过于紧密，将使软件不能很好地抵御变化。
• 使用面向对象技术，可以将这种依赖关系弱化，并形成一种稳定的依赖关系。从而实现软件体系结构的松耦合。

模式定义：
定义对象间的一种一对多（变化）的依赖关系，以便当一个对象（Subject）的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新。————设计模式GoF

观察者模式结构.png

• 要点总结：
  • 使用面向对象的抽象，Observer模式使得我们可以独立地改变目标与观察者，从而使二者之间的依赖关系达致松耦合。
  • 目标发送通知时，无需指定观察者，通知（可以携带通知信息作为参数）会自动传播。
  • 观察者自己决定是否需要订阅通知，目标对象对此一无所知。
  • Observer模式是基于事情的UI框架中非常常用的设计模式，也是MVC模式的一个重要组成部分。

六 装饰模式

• “单一职责”模式：
  • 在软件组件的设计中，如果责任划分的不清晰，使用继承得到的结果往往是随着需求的变化，子类急剧膨胀，同时充斥着重复代码，这时候的关键是划清责任。典型模式：Decorator、Bridge。

动机

• 在某些情况下我们可能会“过度地使用继承来扩展对象的功能”，由于继承为类型引入的静态特质，使得这种扩展方式缺乏灵活性；并且随着子类的增多（扩展功能的增多），各种子类的组合（扩展功能的组合）会导致更多子类的膨胀。
• 何如使“对象功能的扩展”能够根据需要来动态地实现？同时避免“扩展功能的增多”带来的子类膨胀问题？从而使得任何“功能扩展变化”所导致的影响降为最低？

模式定义：
动态（组合）地给一个对象增加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式比生成子类（继承）更为灵活（消除重复代码&减少子类个数）。————《设计模式》GoF

装饰模式结构.png

要点总结：

• 通过采用组合而非继承的手法，Decorator模式实现了在运行时动态扩展对象功能的能力，而且可以根据需要扩展多个功能。避免了使用继承带来的“灵活性差”和“多子类衍生问题”。
• Decorator类在接口上表现为is-a Component的继承关系，即Decorator类继承了Component类所具有的接口。但在实现上又表现为has-a Component的组合关系，即Decorator类又使用了另外一个Component类。
• Decorator模式的目的并非解决“多子类衍生的多继承”问题，Decorator模式应用的要点在于解决“主体类在多个方向上的扩展功能”——是为“装饰”的含义。

七 桥模式

动机

• 由于某些类型的固有的实现逻辑，使得它们具有两个变化的维度，乃至多个维度的变化。
• 如何应对这种“多维度的变化”？如何利用面对对象技术来使得类型可以轻松地沿着两个乃至多个方向变化，而不引入额外的复杂度？

模式定义：
将抽象部分（业务功能）与实现部分（平台实现）分离，使它们都可以独立地变化。——《设计模式》GoF

桥模式结构.png

要点总结：

• Bridge模式使用“对象间的组合关系”解耦了抽象和实现之间固有的绑定关系，使得抽象和实现可以沿着各自的维度来变化。所谓抽象和实现沿着各自维度的变化，即“子类化”它们。
• Bridge模式有时候类似于多继承方案，但是多继承方案往往违背单一职责原则（即一个类只有一个变化的原因），复用性比较差。Bridge模式是比多继承方案更好的解决方法。
• Bridge模式的应用一般在“两个非常强的变化维度”，有时一个类也有多于两个的变化维度，这时可以使用Bridge的扩展模式。（如果有三个变化维度，把其他变化维度的合在一起打包成一个基类，用三个抽象的指针指向它。）