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上
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
类
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和合成复用两种,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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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