设计模式的七大原则(设计模式必修课)

本文涉及的产品
RDS SQL Server Serverless,2-4RCU 50GB 3个月
推荐场景:
RDS MySQL Serverless 基础系列,0.5-2RCU 50GB
云数据库 RDS MySQL,集群系列 2核4GB
推荐场景:
搭建个人博客
简介: 设计模式(Design Pattern)是针对于软件设计中反复出现的问题所提出来的一个解决方案,是前人对代码开发经验的总结,它不是语法规定,学好设计模式可以开阔我们的编程思维,让我们编写的程序具备可复用性、可扩展性、可读性、可靠性以及安全性等;

三、设计模式的七大原则

3.1 单一职责原则

3.1.1 介绍

单一职责原则(Single Responsibility Principle,SRP)一个对象应该只包含单一的职责。并将该职责完整的封装到一个类中。即一个类应该只负责一项职责,来达到程序的高内聚、低耦合

该原则提出对象不应该承担太多职责,如果一个对象承担了太多的职责,至少存在以下两个缺点:

  • 1)一个职责的变化可能会影响这个类实现其他职责的能力;
  • 2)当客户端需要该对象的某一个职责时,不得不将其他不需要的职责全都包含进来,从而造成冗余代码或代码的浪费。

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;

3.1.2 应用示例

  • 案例:
package com.dfbz.demo01_单一职责原则;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Employee {
    public void coding() {
        System.out.println("程序员敲代码");
    }
    public void sortingData() {
        System.out.println("行政人员整理资料");
    }
}

在上述程序中,违反了单一职责原则,一个类中应该只负责一个事情,多件事情应该交给多个类来完成;优化如下:

  • 程序员类:
package com.dfbz.demo01_单一职责原则;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Programmer {
    public void coding() {
        System.out.println("程序员敲代码");
    }
}
  • 行政人员类:
package com.dfbz.demo01_单一职责原则;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Administrative {
    void sortingData() {
        System.out.println("行政人员整理资料");
    }
}

Tips:单一职责对扩展开放,对修改关闭,降低维护带来的新风险

3.2 接口隔离原则

3.2.1 介绍

接口隔离原则(Interface Segregation Principle,ISP):将大的接口分成多个小的独立接口,在Java中支持接口的多实现,可以很容易的让类具有多种接口的特征,同时每个类可以选择性地只实现目标接口。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

3.2.2 应用示例:

  • 场景:
  • 1)定义一个电子设备接口,具备拍照、听音乐、语音等功能;
  • 2)定义相机类(能拍照),实现电子设备接口
  • 3)定义MP3类(能拍照、听音乐),实现电子设备接口
  • 4)定义手机类(能拍照、听音乐、语音),实现电子设备接口
  • 电子设备接口:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.测试;
//  电子设备接口
public interface DianZiSheBei {
    // 拍照
    void takePhoto();
    // 听音乐
    void music();
    // 语音
    void voice();
}
  • 相机类:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 相机类
 */
public class Camera implements DianZiSheBei {
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
    @Override
    public void music() {
    }
    @Override
    public void voice() {
    }
}
  • MP3:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class MP3 implements DianZiSheBei {
    @Override
    public void music() {
        System.out.println("听音乐~");
    }
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
    @Override
    public void voice() {
    }
}
  • 手机:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 对讲机类
 */
public class Phone implements DianZiSheBei {
    @Override
    public void music() {
        System.out.println("听音乐~");
    }
    @Override
    public void voice() {
        System.out.println("语音~");
    }
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
}

我们不难发现,当相机、MP3、对讲机等需要具备某项功能时不得不重写不必要的方法,即电子设备接口不是最小接口

3.2.3 案例优化:

  • 优化:
  • 1)定义拍照、听音乐、语音三个接口;
  • 2)相机、MP3、手机等电子设备按需实现对应接口
  • 听音乐接口:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 听音乐接口
 */
public interface Music {
    void music();
}
  • 拍照接口:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 拍照接口
 */
public interface TakePhoto {
    void takePhoto();
}
  • 语音接口:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 语音接口
 */
public interface Voice {
    void voice();
}
  • 相机类:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 相机类
 */
public class Camera implements TakePhoto {
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
}
  • MP3类:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class MP3 implements TakePhoto,Music {
    @Override
    public void music() {
        System.out.println("听音乐~");
    }
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
}
  • 手机类:
package com.dfbz.demo02_接口隔离原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro: 对讲机类
 */
public class Phone implements TakePhoto,Music,Voice {
    @Override
    public void music() {
        System.out.println("听音乐~");
    }
    @Override
    public void voice() {
        System.out.println("语音~");
    }
    @Override
    public void takePhoto() {
        System.out.println("拍照~");
    }
}

3.3 开闭原则

3.3.1 介绍

开闭原则(Open Closed Principle,OCP)是编程中最基础、最重要的设计原则,开闭原则的中心思想是:一个软件实体应当具备“对扩展开放,对修改关闭”的原则

当软件需要变化时,尽量通过扩展软件的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

3.3.2 应用示例

package com.dfbz.demo03_开闭原则.测试;
import org.junit.Test;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    @Test
    public void test1() {
        JDBC jdbc=new JDBC();
        jdbc.connectMySQL(new MySQLDriver());
        jdbc.connectOracle(new OracleDriver());
    }
}
class JDBC{
    public void connectMySQL(MySQLDriver mySQLDriver){
        mySQLDriver.getConnection();
    }
    public void connectOracle(OracleDriver oracleDriver){
        oracleDriver.getConnection();
    }
}
class MySQLDriver{
    public void getConnection() {
        System.out.println("连接MySQL");
    }
}
class OracleDriver{
    public void getConnection() {
        System.out.println("连接Oracle");
    }
}

上述代码中违反了开闭原则,不难想象,如果我们还想要连接SQL Server数据库,必须修改JDBC类的代码,增加一个connectSqlServer方法,然后再提供一个SqlServerDriver

3.3.3 案例优化

package com.dfbz.demo03_开闭原则.优化;
import org.junit.Test;
public class Demo01 {
    @Test
    public void test() {
        JDBC jdbc=new JDBC();
        jdbc.connectDB(new MySQLDriver());
        jdbc.connectDB(new OracleDriver());
        jdbc.connectDB(new SqlServerDriver());
    }
}
class JDBC{
    void connectDB(Driver driver){
        driver.getConnection();
    }
}
interface class Driver {
    // 定义抽象连接方法
    public abstract void getConnection();
}
class MySQLDriver implements Driver{
    @Override
    public void getConnection() {
        System.out.println("连接MySQL");
    }
}
class OracleDriver implements Driver{
    @Override
    public void getConnection() {
        System.out.println("连接Oracle");
    }
}
class SqlServerDriver implements Driver{
    @Override
    public void getConnection() {
        System.out.println("连接SqlServer");
    }
}

3.3  里氏替换原则

3.3.1 介绍

里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP):该原则主要阐述了有关继承的一些原则;

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。

Tips:里氏替换原则是实现开闭原则的重要方式之一。

3.3.2 应用示例

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

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。企鹅虽然属于鸟类,但并不会飞。假如要设计一个实例,计算这两种鸟飞行 240 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;但拿企鹅来测试,结果则会出现异常:

package com.dfbz.demo04_里氏替换原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 燕子类
        Bird swallow = new Swallow();
        // 燕子的飞行速度为120km/h
        swallow.setFlySpeed(120);
        double swallowFlyTime = swallow.getFlyTime(240);
        System.out.println("燕子飞行120km需要:" + swallowFlyTime + "小时");
        // 企鹅类
        Bird penguin = new Penguin();
        // 企鹅不会飞
        penguin.setFlySpeed(0);
        double penguinFlyTime = penguin.getFlyTime(240);      // 出现异常
        System.out.println("企鹅飞行120km需要:" + penguinFlyTime + "小时");   
    }
}
// 鸟类
class Bird {
    // 飞行速度
    private Integer flySpeed;
    public Integer getFlySpeed() {
        return flySpeed;
    }
    public void setFlySpeed(Integer flySpeed) {
        this.flySpeed = flySpeed;
    }
    // 根据飞行举例计算飞行时间
    public Integer getFlyTime(Integer distance) {
        return (distance / flySpeed);
    }
}
// 燕子类
class Swallow extends Bird {
}
// 企鹅类
class Penguin extends Bird {
}

3.3.3 案例优化

上诉代码中违反了里氏替换原则,即子类可以扩展父类的功能,但不能改变父类原有功能;我们需要重新设计继承体系:

  • 1)设计顶层父类:鸟类
  • 2)将鸟类划分为会飞的鸟类和不会飞的鸟类
package com.dfbz.demo04_里氏替换原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
}
// 鸟类
class Bird {
}
// 飞行类的鸟
class FlyBird extends Bird{
    // 飞行速度
    private Integer flySpeed;
    public Integer getFlySpeed() {
        return flySpeed;
    }
    public void setFlySpeed(Integer flySpeed) {
        this.flySpeed = flySpeed;
    }
    // 根据飞行举例计算飞行时间
    public Integer getFlyTime(Integer distance) {
        return (distance / flySpeed);
    }
}
// 陆地类的鸟
class LandBird extends Bird{
}
// 燕子类(飞行类)
class Swallow extends FlyBird {
}
// 企鹅类(陆地类)
class Penguin extends LandBird {
}

3.4 依赖倒转原则

3.4.1 介绍

依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle,DIP):依赖倒转的中心思想就是面向接口编程

依赖倒转原则的设计理念: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

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

3.4.2 应用示例

  • 场景:
  • 1)定义一个榨汁机类,可以榨汁苹果,获取苹果的营养价值;
package com.dfbz.demo05_依赖倒转原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Juicer juicer = new Juicer();
        // 榨了一杯苹果汁~ 生津止渴、健脾养心、补血安神
        juicer.juicing(new Apple());
    }
}
class Apple {
    public String getNutrition() {
        return "生津止渴、健脾养心、补血安神";
    }
}
// 榨汁机
class Juicer {
    public void juicing(Apple apple) {
        apple.getNutrition();
    }
}

3.4.3 案例优化

上述代码违反了依赖倒转原则,如果需要榨梨子汁、西瓜汁就必须修改源代码,在榨汁机类中扩展多个榨汁方法;我们抽取顶层接口,将功能抽象,留给子类实现;

package com.dfbz.demo05_依赖倒转原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Juicer juicer = new Juicer();
        // 榨了一杯苹果汁~ 生津止渴、健脾养心、补血安神
        juicer.juicing(new Apple());
        // 榨了一杯梨子汁~ 生津润燥,清热化痰,解酒
        juicer.juicing(new Pear());
    }
}
// 将水果模块抽象为一个接口:可以是苹果、梨子、香蕉等
interface IFruit{
    // 获取该水果的营养
    String getNutrition();
}
class Apple implements IFruit {
    public String getNutrition() {
        return "生津止渴、健脾养心、补血安神";
    }
}
class Pear implements IFruit {
    public String getNutrition() {
        return "生津润燥,清热化痰,解酒";
    }
}
// 榨汁机
class Juicer {
    public void juicing(IFruit fruit) {
        fruit.getNutrition();
    }
}

3.6 迪米特法则

3.6.1 介绍

迪米特法则(Law of Demeter,LoD)又叫作最少知识原则(Least Knowledge Principle,LKP):即一个类对自己依赖的类知道的越少越好,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,不对外泄露任何信息;


迪米特法则的定义是:只与你的直接朋友交谈,不跟“陌生人”说话(Talk only to your immediate friends and not to strangers)。

其含义是:如果两个软件实体无须直接通信,那么就不应当发生直接的相互调用,可以通过第三方转发该调用。其目的是降低类之间的耦合度,提高模块的相对独立性。

Tips:过度使用迪米特法则会使系统产生大量的中介类,从而增加系统的复杂性,使模块之间的通信效率降低。所以,在釆用迪米特法则时需要反复权衡,确保高内聚和低耦合的同时,保证系统的结构清晰。

迪米特法则强调了下面两点:

  • 1)从被依赖者的角度:只暴露应该暴露的方法或属性,即编写相关的类时确定方法和属性的权限
  • 2)从依赖者的角度来看,只依赖应该依赖的对象

3.6.2 应用示例

1)案例1

从被依赖者的角度:只暴露应该暴露的方法或属性,即编写相关的类时确定方法和属性的权限

  • 在驾照科三时,规则是上车准备、调整座位、系安全带、踩离合、挂挡,期间操作顺序不能乱;
package com.dfbz.demo06_迪米特法则.测试1;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Car car=new Car();
        /*
            正常情况下我们直接调用start方法即可,
            但是现在发现Car所有的方法都是公开的,于是你就写了以下的流程
         */
        car.clutch();
        car.seat();
        car.putIntoGear();
        // 或者是这样的操作
        car.safetyBelt();
        car.seat();
        car.putIntoGear();
        // 还可能是这样的操作
        car.start();
        car.clutch();
    }
}
class Car {
    // 上车准备
    public void getOnPrepare(){}
    // 调整座位
    public void seat(){}
    // 系安全带
    public void safetyBelt(){}
    // 踩离合
    public void clutch(){}
    // 挂挡
    public void putIntoGear(){}
  // 合格步骤
    public void start(){
        getOnPrepare();
        seat();
        safetyBelt();
        clutch();
    }
}

根据迪米特法则,只暴露应该暴露的方法或属性

  • 优化:
package com.dfbz.demo06_迪米特法则.优化1;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
    }
}
class Person{
    private Car car;
    public Car getCar() {
        return car;
    }
    public void setCar(Car car) {
        this.car = car;
    }
    // 开车
    public void driverCar(){
        car.start();
    }
}
class Car {
    // 上车准备
    private void getOnPrepare(){}
    // 调整座位
    private void seat(){}
    // 系安全带
    private void safetyBelt(){}
    // 踩离合
    private void clutch(){}
    // 挂挡
    private void putIntoGear(){}
    // 起步
    public void start(){
        getOnPrepare();
        seat();
        safetyBelt();
        clutch();
    }
}

2)案例2

  • 案例:张三叫李四办件事,李四办不了,叫王五办;
package com.dfbz.demo06_迪米特法则.测试2;
import java.util.List;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
}
class Zhangsan{
    public Lisi getLisi(){
        return new Lisi();
    }
    public void work(){
        // 叫李四做
        Lisi lisi=new Lisi();
        // 李四叫王五做
        Wangwu wangwu = lisi.getWangwu();
        // 王五把事情做好了
        wangwu.work();
    }
}
class Lisi{
    public Wangwu getWangwu(){
        return new Wangwu();
    }
}
class Wangwu{
    public void work(){
        System.out.println("so easy~");
    }
}
  • 优化:
package com.dfbz.demo06_迪米特法则.优化2;
import java.util.List;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
}
class Zhangsan{
    public Lisi getLisi(){
        return new Lisi();
    }
    public void work(){
        // 叫李四做
        Lisi lisi=new Lisi();
        // 不管用什么办法,让李四搞定
        lisi.work();
    }
}
class Lisi{
    public void work(){
        // 李四叫王五搞定
        Wangwu wangwu = getWangwu();
        wangwu.work();
    }
    public Wangwu getWangwu(){
        return new Wangwu();
    }
}
class Wangwu{
    public void work(){
        System.out.println("so easy~");
    }
}

3.7 合成复用原则

3.7.1 介绍

合成复用原则(Composite Reuse Principle,CRP):它要求在软件复用时,要尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现,其次才考虑使用继承关系来实现。

Tips:如果要使用继承关系,则必须严格遵循里氏替换原则。合成复用原则同里氏替换原则相辅相成的,两者都是开闭原则的具体实现规范。

通常类的复用分为继承复用合成复用两种,继承复用虽然有简单和易实现的优点,但它也存在以下缺点。

  1. 继承复用破坏了类的封装性。因为继承会将父类的实现细节暴露给子类,父类对子类是透明的,所以这种复用又称为“白箱”复用
  2. 子类与父类的耦合度高。父类功能的任何改变都会导致子类的实现发生变化,这不利于类的扩展与维护。
  3. 它限制了复用的灵活性。从父类继承而来的实现是静态的,在编译时已经定义,所以在运行时不可能发生变化。

采用组合或聚合复用时,可以将已有对象纳入新对象中,使之成为新对象的一部分,新对象可以调用已有对象的功能,它有以下优点。

  1. 它维持了类的封装性。因为成分对象的内部细节是新对象看不见的,所以这种复用又称为“黑箱”复用
  2. 新旧类之间的耦合度低。这种复用所需的依赖较少,这种复用可以在运行时动态进行,可以根据程序的需要传递(多态,可以传递不同的子类)。

  • 白箱复用:
class A{
    public void method(){}
}
class B extends A{}
  • 黑箱复用:
class A{
    public void method(){}
}
class SubA extends A{
}
class B{
    private A a;
    public B(A a){}     // 可以传递SubA对象进来
}

3.7.2 应用示例

分析:汽车按“动力源”划分可分为汽油汽车、电动汽车等;按“颜色”划分可分为白色汽车、黑色汽车和红色汽车等。如果同时考虑这两种分类,其组合就很多。

代码示例:

package com.dfbz.demo07_合成复用原则.测试;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        // 黑色电动车
        Car car=new RedElectricCar();
    }
}
class Car{}
// 汽油车
class GasolineCar extends Car{}
// 电动车
class ElectricCar extends Car{}
// 红色汽油车
class RedGasolineCar extends GasolineCar{}
// 黑色汽油车
class BlackGasolineCar extends GasolineCar{}
// 红色电动车
class RedElectricCar extends ElectricCar{}
// 黑色汽油车
class BlackElectricCar extends ElectricCar{}

从上述代码中我们可以看到使用继承复用产生了很多子类,如果现在又有新的动力源或者新的颜色的话,都要修改源代码,这违背了开闭原则,显然不可取。

3.7.3 案例优化

package com.dfbz.demo07_合成复用原则.优化;
/**
 * @author lscl
 * @version 1.0
 * @intro:
 */
public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        Car car=new Car();
        car.color=new Red();
        car.powerType=new ElectricCar();
    }
}
class Car{
    // 颜色
    IColor color;
    // 动力类型
    IPowerType powerType;
}
// 动力类型
interface IPowerType{}
// 电动车
class ElectricCar implements IPowerType{}
// 汽油车
class GasolineCar implements IPowerType{}
// 颜色
interface IColor{}
// 红色车
class Red implements IColor{}
// 黑色车
class Black implements IColor{}

3.8 七大原则总结

  • 单一职责原则(Single Responsibility Principle,SRP):
  • 原则:一个对象只负责单一的职责(一个类只干一件事)。
  • 目的:便于理解,提高代码可读性。
  • 接口隔离原则(Interface Segregation Principle,ISP):
  • 原则:一个类对另一个类(接口)的依赖应该建立在最小接口上(一个接口只干一件事)。
  • 目的:解耦,实现高内聚、低耦合。
  • 开闭原则(Open Closed Principle,OCP):
  • 原则:对扩展开放,对修改关闭
  • 目的:降低维护带来的新风险
  • 里氏替换原则(Liskov Substitution Principle,LSP)
  • 原则:子类可以扩展父类功能,但不能修改父类原有功能。
  • 目的:防止重写方法带来的风险
  • 依赖倒转原则(Dependence Inversion Principle,DIP):
  • 原则:使用面向接口编程
  • 目的:利于代码的升级扩展
  • 迪米特法则(Law of Demeter,LoD):
  • 原则:一个类对自己依赖的类知道的越少越好(不该知道的不要知道)
  • 目的:减少代码的臃肿
  • 合成复用原则(Composite Reuse Principle,CRP):
  • 原则:要尽量先使用组合或者聚合等关联关系来实现,其次才考虑使用继承关系来实现。强调白箱复用
  • 目的:降低代码耦合
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