设计模式学习笔记一

六大设计原则:

单一职责, 里式替换原则, 依赖倒置原则, 接口隔离原则, 迪米特法则, 开闭原则

一. 单一职责原则（Single Responsibility Principle，简称SRP ）

注:一个类只负责一项职责

核心思想: 应该有且仅有一个原因引起类的变更
问题描述： 假如有类Class1完成职责T1，T2，当职责T1或T2有变更
需要修改时，有可能影响到该类的另外一个职责正常工作。
单一职责原则的优点：
单一职责原则的核心就是控制类的粒度大小、将对象解耦、提高其内聚性。如果遵循单一职责原则将有以下优点。

• 降低类的复杂度。一个类只负责一项职责，其逻辑肯定要比负责多项职责简单得多。
• 提高类的可读性。复杂性降低，自然其可读性会提高。
• 提高系统的可维护性。可读性提高，那自然更容易维护了。
• 变更引起的风险降低。变更是必然的，如果单一职责原则遵守得好，当修改一个功能时，可以显著降低对其他功能的影响。

简单来说就是： 类的复杂度降低、可读性提高、可维护性提高、扩展性提高、
降低了变更引起的风险。
需注意： 单一职责原则提出了一个编写程序的标准，用“职责”或“变
化原因”来衡量接口或类设计得是否优良，但是“职责”和“变化原因”都
是不可以度量的，因项目和环境而异。

单一职责原则的实现方法

单一职责原则是最简单但又最难运用的原则，需要设计人员发现类的不同职责并将其分离，再封装到不同的类或模块中。而发现类的多重职责需要设计人员具有较强的分析设计能力和相关重构经验。下面以大学学生工作管理程序为例介绍单一职责原则的应用。

【例1】大学学生工作管理程序。

分析：大学学生工作主要包括学生生活辅导和学生学业指导两个方面的工作，其中生活辅导主要包括班委建设、出勤统计、心理辅导、费用催缴、班级管理等工作，学业指导主要包括专业引导、学习辅导、科研指导、学习总结等工作。如果将这些工作交给一位老师负责显然不合理，正确的做 法是生活辅导由辅导员负责，学业指导由学业导师负责，其类图如图 1 所示。

大学学生工作管理程序的类图

注意：单一职责同样也适用于方法。一个方法应该尽可能做好一件事情。如果一个方法处理的事情太多，其颗粒度会变得很粗，不利于重用。

二. 里氏替换原则（Liskov Substitution Principle,简称LSP）

注:子类可以扩展父类,但不要改变父类原有的功能
核心思想： 在使用基类的的地方可以任意使用其子类，能保证子类
完美替换基类。
通俗来讲： 只要父类能出现的地方子类就能出现。反之，父类则未
必能胜任。
好处： 增强程序的健壮性，即使增加了子类，原有的子类还可以继续
运行。
需注意： 如果子类不能完整地实现父类的方法，或者父类的某些方
法在子类中已经发生“畸变”，则建议断开父子继承关系 采用依赖、聚
合、组合等关系代替继承。

里氏替换原则的作用

里氏替换原则的主要作用如下。

1. 里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。
2. 它克服了继承中重写父类造成的可复用性变差的缺点。
3. 它是动作正确性的保证。即类的扩展不会给已有的系统引入新的错误，降低了代码出错的可能性。
4. 加强程序的健壮性，同时变更时可以做到非常好的兼容性，提高程序的维护性、可扩展性，降低需求变更时引入的风险。

里氏替换原则的实现方法

里氏替换原则通俗来讲就是：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。也就是说：子类继承父类时，除添加新的方法完成新增功能外，尽量不要重写父类的方法。

根据上述理解，对里氏替换原则的定义可以总结如下：

• 子类可以实现父类的抽象方法，但不能覆盖父类的非抽象方法
• 子类中可以增加自己特有的方法
• 当子类的方法重载父类的方法时，方法的前置条件（即方法的输入参数）要比父类的方法更宽松
• 当子类的方法实现父类的方法时（重写/重载或实现抽象方法），方法的后置条件（即方法的的输出/返回值）要比父类的方法更严格或相等

通过重写父类的方法来完成新的功能写起来虽然简单，但是整个继承体系的可复用性会比较差，特别是运用多态比较频繁时，程序运行出错的概率会非常大。

如果程序违背了里氏替换原则，则继承类的对象在基类出现的地方会出现运行错误。这时其修正方法是：取消原来的继承关系，重新设计它们之间的关系。

关于里氏替换原则的例子，最有名的是“正方形不是长方形”。当然，生活中也有很多类似的例子，例如，企鹅、鸵鸟和几维鸟从生物学的角度来划分，它们属于鸟类；但从类的继承关系来看，由于它们不能继承“鸟”会飞的功能，所以它们不能定义成“鸟”的子类。同样，由于“气球鱼”不会游泳，所以不能定义成“鱼”的子类；“玩具炮”炸不了敌人，所以不能定义成“炮”的子类等。

下面以“几维鸟不是鸟”为例来说明里氏替换原则。

【例1】里氏替换原则在“几维鸟不是鸟”实例中的应用。

分析：鸟一般都会飞行，如燕子的飞行速度大概是每小时 120 千米。但是新西兰的几维鸟由于翅膀退化无法飞行。假如要设计一个实例，计算这两种鸟飞行 300 千米要花费的时间。显然，拿燕子来测试这段代码，结果正确，能计算出所需要的时间；但拿几维鸟来测试，结果会发生“除零异常”或是“无穷大”，明显不符合预期，其类图如图 1 所示。

“几维鸟不是鸟”实例的类图

程序代码如下：

package principle;

public class LSPtest {
    public static void main(String[] args) {
        Bird bird1 = new Swallow();
        Bird bird2 = new BrownKiwi();
        bird1.setSpeed(120);
        bird2.setSpeed(120);
        System.out.println("如果飞行300公里：");
        try {
            System.out.println("燕子将飞行" + bird1.getFlyTime(300) + "小时.");
            System.out.println("几维鸟将飞行" + bird2.getFlyTime(300) + "小时。");
        } catch (Exception err) {
            System.out.println("发生错误了!");
        }
    }
}

//鸟类
class Bird {
    double flySpeed;

    public void setSpeed(double speed) {
        flySpeed = speed;
    }

    public double getFlyTime(double distance) {
        return (distance / flySpeed);
    }
}

//燕子类
class Swallow extends Bird {
}

//几维鸟类
class BrownKiwi extends Bird {
    public void setSpeed(double speed) {
        flySpeed = 0;
    }
}

程序的运行结果如下：

如果飞行300公里：
燕子将飞行2.5小时.
几维鸟将飞行Infinity小时。

程序运行错误的原因是：几维鸟类重写了鸟类的 setSpeed(double speed) 方法，这违背了里氏替换原则。正确的做法是：取消几维鸟原来的继承关系，定义鸟和几维鸟的更一般的父类，如动物类，它们都有奔跑的能力。几维鸟的飞行速度虽然为 0，但奔跑速度不为 0，可以计算出其奔跑 300 千米所要花费的时间。其类图如图 2 所示。

“几维鸟是动物”实例的类图

三. 依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle,简称DIP）

注:面向接口编程
核心思想：高层模块不应该依赖底层模块，二者都该依赖其抽象；抽
象不应该依赖细节；细节应该依赖抽象；

由于在软件设计中，细节具有多变性，而抽象层则相对稳定，因此以抽象为基础搭建起来的架构要比以细节为基础搭建起来的架构要稳定得多。这里的抽象指的是接口或者抽象类，而细节是指具体的实现类。

说明：高层模块就是调用端，低层模块就是具体实现类。抽象就是指
接口或抽象类。细节就是实现类。
通俗来讲： 依赖倒置原则的本质就是通过抽象（接口或抽象类）使
个各类或模块的实现彼此独立，互不影响，实现模块间的松耦合。
问题描述： 类A直接依赖类B，假如要将类A改为依赖类C，则必须通
过修改类A的代码来达成。这种场景下，类A一般是高层模块，负责复
杂的业务逻辑；类B和类C是低层模块，负责基本的原子操作；假如修
改类A，会给程序带来不必要的风险。
解决方案： 将类A修改为依赖接口interface，类B和类C各自实现接
口interface，类A通过接口interface间接与类B或者类C发生联系，则
会大大降低修改类A的几率。

好处：依赖倒置的好处在小型项目中很难体现出来。但在大中型项目
中可以减少需求变化引起的工作量。使并行开发更友好。

作用：

• 依赖倒置原则的主要作用如下。
• 依赖倒置原则可以降低类间的耦合性。
• 依赖倒置原则可以提高系统的稳定性。
• 依赖倒置原则可以减少并行开发引起的风险。
• 依赖倒置原则可以提高代码的可读性和可维护性。

依赖倒置原则的实现方法
依赖倒置原则的目的是通过要面向接口的编程来降低类间的耦合性，所以我们在实际编程中只要遵循以下4点，就能在项目中满足这个规则。
每个类尽量提供接口或抽象类，或者两者都具备。
变量的声明类型尽量是接口或者是抽象类。
任何类都不应该从具体类派生。
使用继承时尽量遵循里氏替换原则。

下面以“顾客购物程序”为例来说明依赖倒置原则的应用。

【例1】依赖倒置原则在“顾客购物程序”中的应用。

分析：本程序反映了 “顾客类”与“商店类”的关系。商店类中有 sell() 方法，顾客类通过该方法购物以下代码定义了顾客类通过韶关网店 ShaoguanShop 购物：

class Customer {
    public void shopping(ShaoguanShop shop) {
        //购物
        System.out.println(shop.sell());
    }
}

但是，这种设计存在缺点，如果该顾客想从另外一家商店（如婺源网店 WuyuanShop）购物，就要将该顾客的代码修改如下：

class Customer {
    public void shopping(WuyuanShop shop) {
        //购物
        System.out.println(shop.sell());
    }
}

顾客每更换一家商店，都要修改一次代码，这明显违背了开闭原则。存在以上缺点的原因是：顾客类设计时同具体的商店类绑定了，这违背了依赖倒置原则。解决方法是：定义“婺源网店”和“韶关网店”的共同接口 Shop，顾客类面向该接口编程，其代码修改如下：

class Customer {
    public void shopping(Shop shop) {
        //购物
        System.out.println(shop.sell());
    }
}

这样，不管顾客类 Customer 访问什么商店，或者增加新的商店，都不需要修改原有代码了，其类图如图 1 所示。

顾客购物程序的类图

程序代码如下：

package principle;

public class DIPtest {
    public static void main(String[] args) {
        Customer wang = new Customer();
        System.out.println("顾客购买以下商品：");
        wang.shopping(new ShaoguanShop());
        wang.shopping(new WuyuanShop());
    }
}

//商店
interface Shop {
    public String sell(); //卖
}

//韶关网店
class ShaoguanShop implements Shop {
    public String sell() {
        return "韶关土特产：香菇、木耳……";
    }
}

//婺源网店
class WuyuanShop implements Shop {
    public String sell() {
        return "婺源土特产：绿茶、酒糟鱼……";
    }
}

//顾客
class Customer {
    public void shopping(Shop shop) {
        //购物
        System.out.println(shop.sell());
    }
}

程序的运行结果如下：

顾客购买以下商品：
韶关土特产：香菇、木耳……
婺源土特产：绿茶、酒糟鱼……

四. 接口隔离原则（Interface Segregation Principle,简称ISP）

注:设计接口功能的粒度尽量小, 最小功能单元
核心思想：类间的依赖关系应该建立在最小的接口上
通俗来讲： 建立单一接口，不要建立庞大臃肿的接口，尽量细化接
口，接口中的方法尽量少。也就是说，我们要为各个类建立专用的接
口，而不要试图去建立一个很庞大的接口供所有依赖它的类去调用。

接口隔离原则和单一职责都是为了提高类的内聚性、降低它们之间的耦合性，体现了封装的思想，但两者是不同的：

• 单一职责原则注重的是职责，而接口隔离原则注重的是对接口依赖的隔离。
• 单一职责原则主要是约束类，它针对的是程序中的实现和细节；接口隔离原则主要约束接口，主要针对抽象和程序整体框架的构建。

问题描述： 类A通过接口interface依赖类B，类C通过接口interface依
赖类D，如果接口interface对于类A和类B来说不是最小接口，则类B
和类D必须去实现他们不需要的方法。
需注意：
接口尽量小，但是要有限度。对接口进行细化可以提高程序设计灵
活性，但是如果过小，则会造成接口数量过多，使设计复杂化。所以
一定要适度
提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情
为依赖接口的类定制服务。只暴露给调用的类它需要的方法，它不
需要的方法则隐藏起来。只有专注地为一个模块提供定制服务，才能
建立最小的依赖关系。

接口隔离原则的实现方法

在具体应用接口隔离原则时，应该根据以下几个规则来衡量。

• 接口尽量小，但是要有限度。一个接口只服务于一个子模块或业务逻辑。
• 为依赖接口的类定制服务。只提供调用者需要的方法，屏蔽不需要的方法。
• 了解环境，拒绝盲从。每个项目或产品都有选定的环境因素，环境不同，接口拆分的标准就不同深入了解业务逻辑。
• 提高内聚，减少对外交互。使接口用最少的方法去完成最多的事情。

下面以学生成绩管理程序为例介绍接口隔离原则的应用。

【例1】学生成绩管理程序。

分析：学生成绩管理程序一般包含插入成绩、删除成绩、修改成绩、计算总分、计算均分、打印成绩信息、査询成绩信息等功能，如果将这些功能全部放到一个接口中显然不太合理，正确的做法是将它们分别放在输入模块、统计模块和打印模块等 3 个模块中，其类图如图 1 所示。

学生成绩管理程序的类图

程序代码如下：

package principle;

public class ISPtest {
    public static void main(String[] args) {
        InputModule input = StuScoreList.getInputModule();
        CountModule count = StuScoreList.getCountModule();
        PrintModule print = StuScoreList.getPrintModule();
        input.insert();
        count.countTotalScore();
        print.printStuInfo();
        //print.delete();
    }
}

//输入模块接口
interface InputModule {
    void insert();

    void delete();

    void modify();
}

//统计模块接口
interface CountModule {
    void countTotalScore();

    void countAverage();
}

//打印模块接口
interface PrintModule {
    void printStuInfo();

    void queryStuInfo();
}

//实现类
class StuScoreList implements InputModule, CountModule, PrintModule {
    private StuScoreList() {
    }

    public static InputModule getInputModule() {
        return (InputModule) new StuScoreList();
    }

    public static CountModule getCountModule() {
        return (CountModule) new StuScoreList();
    }

    public static PrintModule getPrintModule() {
        return (PrintModule) new StuScoreList();
    }

    public void insert() {
        System.out.println("输入模块的insert()方法被调用！");
    }

    public void delete() {
        System.out.println("输入模块的delete()方法被调用！");
    }

    public void modify() {
        System.out.println("输入模块的modify()方法被调用！");
    }

    public void countTotalScore() {
        System.out.println("统计模块的countTotalScore()方法被调用！");
    }

    public void countAverage() {
        System.out.println("统计模块的countAverage()方法被调用！");
    }

    public void printStuInfo() {
        System.out.println("打印模块的printStuInfo()方法被调用！");
    }

    public void queryStuInfo() {
        System.out.println("打印模块的queryStuInfo()方法被调用！");
    }
}

程序的运行结果如下：

输入模块的insert()方法被调用！
统计模块的countTotalScore()方法被调用！
打印模块的printStuInfo()方法被调用！

五. 迪米特法则（Law of Demeter,简称LoD）

注:降低耦合, 局部区域中不要引入新的类
核心思想： 类间解耦。
通俗来讲： 一个类对自己依赖的类知道的越少越好。自从我们接触
编程开始，就知道了软件编程的总的原则：低耦合，高内聚。无论
是面向过程编程还是面向对象编程，只有使各个模块之间的耦合尽量
的低，才能提高代码的复用率。低耦合的优点不言而喻，但是怎么样
编程才能做到低耦合呢？那正是迪米特法则要去完成的。

5.1迪米特法则的实现方法

从迪米特法则的定义和特点可知，它强调以下两点：

1. 从依赖者的角度来说，只依赖应该依赖的对象。
2. 从被依赖者的角度说，只暴露应该暴露的方法。

所以，在运用迪米特法则时要注意以下 6 点。

1. 在类的划分上，应该创建弱耦合的类。类与类之间的耦合越弱，就越有利于实现可复用的目标。
2. 在类的结构设计上，尽量降低类成员的访问权限。
3. 在类的设计上，优先考虑将一个类设置成不变类。
4. 在对其他类的引用上，将引用其他对象的次数降到最低。
5. 不暴露类的属性成员，而应该提供相应的访问器（set 和 get 方法）。
6. 谨慎使用序列化（Serializable）功能。

【例1】明星与经纪人的关系实例。

分析：明星由于全身心投入艺术，所以许多日常事务由经纪人负责处理，如与粉丝的见面会，与媒体公司的业务洽淡等。这里的经纪人是明星的朋友，而粉丝和媒体公司是陌生人，所以适合使用迪米特法则，其类图如图 1 所示。

明星与经纪人的关系图

程序代码如下：

package principle;

public class LoDtest {
    public static void main(String[] args) {
        Agent agent = new Agent();
        agent.setStar(new Star("林心如"));
        agent.setFans(new Fans("粉丝韩丞"));
        agent.setCompany(new Company("中国传媒有限公司"));
        agent.meeting();
        agent.business();
    }
}

//经纪人
class Agent {
    private Star myStar;
    private Fans myFans;
    private Company myCompany;

    public void setStar(Star myStar) {
        this.myStar = myStar;
    }

    public void setFans(Fans myFans) {
        this.myFans = myFans;
    }

    public void setCompany(Company myCompany) {
        this.myCompany = myCompany;
    }

    public void meeting() {
        System.out.println(myFans.getName() + "与明星" + myStar.getName() + "见面了。");
    }

    public void business() {
        System.out.println(myCompany.getName() + "与明星" + myStar.getName() + "洽淡业务。");
    }
}

//明星
class Star {
    private String name;

    Star(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

//粉丝
class Fans {
    private String name;

    Fans(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

//媒体公司
class Company {
    private String name;

    Company(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

六. 开放封闭原则（Open Close Principle,简称OCP）

注:对扩展开放,对修改关闭
核心思想： 尽量通过扩展软件实体来解决需求变化，而不是通过修
改已有的代码来完成变化
通俗来讲： 一个软件产品在生命周期内，都会发生变化，既然变化
是一个既定的事实，我们就应该在设计的时候尽量适应这些变化，以
提高项目的稳定性和灵活性。

6.1 开闭原则的作用

开闭原则是面向对象程序设计的终极目标，它使软件实体拥有一定的适应性和灵活性的同时具备稳定性和延续性。具体来说，其作用如下。

1. 对软件测试的影响:
   软件遵守开闭原则的话，软件测试时只需要对扩展的代码进行测试就可以了，因为原有的测试代码仍然能够正常运行。

2. 可以提高代码的可复用性:
   粒度越小，被复用的可能性就越大；在面向对象的程序设计中，根据原子和抽象编程可以提高代码的可复用性。

3. 可以提高软件的可维护性:
   遵守开闭原则的软件，其稳定性高和延续性强，从而易于扩展和维护。

开闭原则的实现方法

可以通过“抽象约束、封装变化”来实现开闭原则，即通过接口或者抽象类为软件实体定义一个相对稳定的抽象层，而将相同的可变因素封装在相同的具体实现类中。

因为抽象灵活性好，适应性广，只要抽象的合理，可以基本保持软件架构的稳定。而软件中易变的细节可以从抽象派生来的实现类来进行扩展，当软件需要发生变化时，只需要根据需求重新派生一个实现类来扩展就可以了。

下面以 Windows 的桌面主题为例介绍开闭原则的应用。

【例1】Windows 的桌面主题设计

分析：Windows 的主题是桌面背景图片、窗口颜色和声音等元素的组合。用户可以根据自己的喜爱更换自己的桌面主题，也可以从网上下载新的主题。这些主题有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（Abstract Subject），而每个具体的主题（Specific Subject）是其子类。用户窗体可以根据需要选择或者增加新的主题，而不需要修改原代码，所以它是满足开闭原则的，其类图如图 1 所示。

Windows的桌面主题类图