Java 设计模式之七大原则

Java 设计模式

1、认识设计模式

1.1 什么是设计模式

所谓设计模式，就是对经常出现的软件设计问题的成熟解决方案。

很多人把设计模式想象成非常高深的概念，实际上设计模式仅仅是对特定问题的一种惯性思维。笔者见过一些学员喜欢抱着一本设计模式的书研究，以期成为一个“高手”，实际上设计模式的理解必须以足够的代码积累量作为基础，最好是经历过某种痛苦，或者正在经历一种苦痛，就会对设计模式有较深的感受。

1.2 设计模式的目的

编写软件的过程中，程序员面临着来自耦合性、内聚性以及可维护性、可扩展性、重用性、灵活性等多方面的挑战，设计模式是为了让程序拥有更好的：

代码可重用性。相同功能的代码，不用多次编写；
可读性。便于其他程序员的阅读和理解；
可扩展性。当需要增加新功能时，非常方便；
可靠性。当增加新的功能后，对原来的功能没有影响；
使程序呈现高内聚、低耦合的特点。

1.3 什么是设计模式的原则

设计模式原则，其实就是程序员在编程时，应当遵循的原则，也就是各种设计模式的基础，即设计模式为什么这样设计的依据。

设计模式的七大原则有：

单一职责原则
接口隔离原则
依赖倒置原则
里氏替换原则
开闭原则
迪米特法则
合成复用原则

2、单一职责原则

2.1 什么是单一职责原则

对类来说，一个类应该只负责一项职责。如类A负责两个不同职责：职责1，职责2，当职责1需求变更而改变类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。

2.2 应用实例

方案一：

/**
 * 方式一的run方法中，违反了单一职责原则，
 * 解决的方案是根据交通工具运行方法不同，分解成不同类即可
 */
public class SingleResponsebility1 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.run("汽车");
        vehicle.run("摩托");
        vehicle.run("飞机");
    }
}

class Vehicle {
    public void run(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle+"在公路上跑");
    }
}

方案二：

/**
 * 方案二遵循单一职责原则
 * 但是这样做的改动很大，即将类分解，同时修改客户端
 * 改进：直接修改Vehicle类，改动的代码会比较少
 */
public class SingleResponsibility2 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle1 vehicle1 = new Vehicle1();
        vehicle1.run("汽车");
        Vehicle2 vehicle2 = new Vehicle2();
        vehicle2.run("轮船");
        Vehicle3 vehicle3 = new Vehicle3();
        vehicle3.run("飞机");
    }
}


class Vehicle1{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle+"在地上跑");
    }
}

class Vehicle2{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle+"在水上跑");
    }
}

class Vehicle3{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle+"在天上跑");
    }
}

方案三：

/**
 * 这种修改方法没有对原来的类做大的修改，只是增加方法
 * 这里虽然没有在类这个级别上遵循单一职责原则，但是在方法级别上，仍然遵守这个原则
 */
public class SingleResonsibility3 {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle4 vehicle4 = new Vehicle4();
        vehicle4.run("汽车");
        vehicle4.run2("轮船");
        vehicle4.run3("飞机");
    }
}

class Vehicle4{
    public void run(String vehicle){
        System.out.println(vehicle+"在地上跑");
    }

    public void run2(String vehicle){
        System.out.println(vehicle+"在水上跑");
    }

    public void run3(String vehicle) {
        System.out.println(vehicle + "在天上跑");
    }
}

2.3 注意事项

降低类的复杂度，一个类只负责一项职责；
提高类的可读性、可维护性；
降低变更引起的风险；
通常情况下，我们应当遵守单一职责原则，只有逻辑足够简单，才可以在代码级违反单一职责原则：只有类中方法数量足够少，可以在方法级别保存单一职责原则。

3、接口隔离原则

目的是为了减少重写不需要的方法

3.1 什么是接口隔离原则

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 应用实例

如图，类A通过接口 Interface1依赖类B，类C通过接口 Interface1 依赖类D，如果接口 Interface1 对于类A和类C来说不是最小接口，那么类B和类D必须去实现他们不需要的方法。

错误的代码应该是这样的

package InterfaceSegregation;

public class Segregation1 {
}

//接口
interface Interface1 {
    void operation1();

    void operation2();

    void operation3();

    void operation4();

    void operation5();
}

class B implements Interface1 {

    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B实现了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("B实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("B实现了operation5");
    }
}

class D implements Interface1 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("D实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("D实现了operation3");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D实现了operation5");
    }
}

class A {
    public void depend1(Interface1 i) {
        i.operation1();
    }

    public void depend2(Interface1 i) {
        i.operation2();
    }

    public void depend3(Interface1 i) {
        i.operation3();
    }

}

class C {
    public void depend1(Interface1 i) {
        i.operation1();
    }

    public void depend4(Interface1 i) {
        i.operation4();
    }

    public void depend5(Interface1 i) {
        i.operation5();
    }
}

按隔离原则应当这样处理：将接口 Interface1 拆分为独立的几个接口，类A和类C分别与他们需要的接口建立依赖关系。也就是采用接口隔离原则。

此时，根据类调用的方法，我们需要三个接口，接口中分别定义方法即可，然后让对应的类去调用对应的接口，说白了这就是为什么很多包里面，很多接口只实现了一个方法的原因

package InterfaceSegregation.improve;

public class Segregation2 {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.depend1(new B());
        a.depend2(new B());
        a.depend3(new B());

        C c = new C();
        c.depend1(new D());
        c.depend4(new D());
        c.depend5(new D());
    }
}

//接口
interface Interface1 {
    void operation1();
}

interface Interface2 {
    void operation2();

    void operation3();
}

interface Interface3 {
    void operation4();

    void operation5();
}

class B implements Interface1, Interface2 {

    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("B实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation2() {
        System.out.println("B实现了operation2");
    }

    @Override
    public void operation3() {
        System.out.println("B实现了operation3");
    }
}

class D implements Interface1, Interface3 {
    @Override
    public void operation1() {
        System.out.println("D实现了operation1");
    }

    @Override
    public void operation4() {
        System.out.println("D实现了operation4");
    }

    @Override
    public void operation5() {
        System.out.println("D实现了operation5");
    }
}

class A {
    public void depend1(Interface1 i) {
        i.operation1();
    }

    public void depend2(Interface2 i) {
        i.operation2();
    }

    public void depend3(Interface2 i) {
        i.operation3();
    }
}

class C {
    public void depend1(Interface1 i) {
        i.operation1();
    }

    public void depend4(Interface3 i) {
        i.operation4();
    }

    public void depend5(Interface3 i) {
        i.operation5();
    }
}

十分优雅

4、依赖倒转原则

这应该也叫 IoC，其实比较像 C++ 里面的虚函数的思想。

4.1 什么是依赖倒转原则

依赖倒转原则是指高层模块不应该依赖低层模块，二者都应该依赖其抽象；抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象；依赖倒转的中心思想是面向接口编程。

依赖倒转原则是基于这样的设计理念：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，抽象指的是接口或者抽象类，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。

4.2 应用实例

请编程完成 Person 接收消息的功能。

基础实现：

package DependencyInversion;

public class DependencyInversion1 {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person();
        person.receive(new Email());
    }
}

class Email {
    public String getInfo() {
        return "电子邮件：Hello World!!!";
    }
}

class Person {
    public void receive(Email e) {
        System.out.println(e.getInfo());
    }
}

进阶实现：

package DependencyInversion;

/**
 * 如果我们获取的对象是微信、短信等等，则新增类，同时 Person 也要增加相应的接收方法
 * 解决思路：引入一个抽象的接口 IReceiver，表示接收者，这样 Person 类与接口 IReceiver 发生依赖
 * 因为 Email、WeChat 等等属于接收的范围，它们各自实现 IReceiver 接口就可以，这样我们就符合依赖倒转原则
 */
public class DependencyInversion2 {
    public static void main(String[] args) {
        Person2 Person2 = new Person2();
        Person2.receive(new Email2());
        Person2.receive(new WeChat());
    }
}

interface IReceiver {
    public String getInfo();
}

class Email2 implements IReceiver {
    @Override
    public String getInfo() {
        return "电子邮件：Hello World!";
    }
}

class WeChat implements IReceiver {
    @Override
    public String getInfo() {
        return "微信消息：Hello weixin";
    }
}


class Person2 {
    public void receive(IReceiver i) {
        System.out.println(i.getInfo());
    }
}

4.3 依赖传递的三种方式

接口传递、构造方法传递、setter方法传递。这其实就是 Spring 中的核心编程思想 IoC

第一种方法是接口传递

//第一种方式：接口传递
//开关的接口
interface IOpenAndClose {
    public void opoen(ITV tv);//抽象方法，接收接口
}

interface ITV {//ITV接口

    public void play();
}

//实现接口
class OpenAndColse implements IOpenAndClose {
    @Override
    public void opoen(ITV tv) {
        tv.play();
    }
}

第二种方法是构造传递

//方式二：构造方法传递
interface IOpenAndClose {
    public void open();//抽象方法
}

interface ITV {//ITV接口

    public void play();
}

class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
    public ITV tv;//成员

    public OpenAndClose(ITV tv) {//构造方法
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void open() {
        this.tv.play();
    }
}

第三种方法：setter 方法传递

//方式三：setter方法传递
interface IOpenAndClose {
    public void open();//抽象方法
}

interface ITV {//ITV接口

    public void play();
}

class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
    private ITV tv;

    public void setTv(ITV tv) {
        this.tv = tv;
    }

    @Override
    public void open() {
        this.tv.play();
    }
}

4.4 注意事项

底层模块尽量都要有抽象类或接口，或者两者都有，程序稳定性更好。

变量的声明类型尽量是抽象类或接口，这样我们的变量引用和实际对象间，就存在一个缓冲层，利于程序扩展和优化。

继承时要遵循里氏替换原则。

5、里氏替换原则

强调在子类继承父类之后，尽量不要重写父类的所有方法，可以都去继承一个 Base 基类。

5.1 什么是里氏替换原则

关于继承性的思考和说明

继承包含这样一层含义：父类中凡是已经实现好的方法，实际上是在设定规范和契约，虽然它不强制要求所有的子类必须遵循这些契约，但是如果子类对这些已经实现的方法任意修改，就会对整个继承体系造成破坏。

继承在给程序设计带来便利的同时，也带来了弊端。比如使用继承会给程序带来侵入性，程序的可移植性降低，增加对象间的耦合性，如果一个类被其他的类所继承，则当这个类需要修改时，必须考虑到所有的子类，并且父类修改后，所有涉及到子类的功能都有可能产生故障。

所以，在编程中，如何正确的使用继承？使用里氏替换原则。

基本介绍

里氏替换原则是由麻省理工学院的一位姓里的女士在1988年提出的。

如果对每个类型为T1的对象o1，都有类型为T2的对象o2，使得以T1定义的所有程序P在所有的对象o1都带换成o2时，程序P的行为没有发生变化，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。
在使用继承时，遵循里氏替换原则，在子类中尽量不要重写父类的方法。

里氏替换原则告诉我们，继承实际上让两个类耦合性增强了，在适当情况下，可以通过聚合、组合、依赖来解决问题。

5.2 应用实例

一个程序引发的问题和思考。

package LiskovSubstitution;

public class Liskow1 {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
        B b = new B();
        System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));//这里本意是求出11-3
        System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
    }
}

class A {
    // 重写了A类的方法，可能是无意识的
    public int func1(int num1, int num2) {
        return num1 - num2;
    }
}

class B extends A {
    public int func1(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public int func2(int a, int b) {
        return func1(a, b) + 9;
    }
}

我们发现原来运行正常的相减功能发生了错误，原因就是类B无意中重写了父类的方法，造成原有功能出现错误。在实际编程中，我们常常会通过重写父类的方法完成新的功能，这样写起来虽然简单，但整个继承体系的复用性会比较差，特别是运行多态比较频繁的时候。

通用的做法是：原来的父类和子类都继承一个更通俗的基类，原有的继承关系去掉，采用依赖、聚合、组合等关系替代。

6、开闭原则

尽量通过扩展软件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。

6.1 什么是开闭原则

开闭原则是编程中最基础、最重要的设计原则。
一个软件实体如类、模块和函数应该对扩展开放（对提供方），对修改关闭（对适用方）。用抽象构建框架，用实现扩展细节。
当软件需要变化时，尽量通过扩展软件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。
编程中遵循其他原则，以及使用设计模式的目的就是遵循开闭原则。

6.2 应用实例

看一段画图代码。

package OpenClose;

public class Ocp1 {
    public static void main(String[] args) {
        GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
        graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
        graphicEditor.drawShape(new Circle());
    }
}

//这是一个用于绘图的类
class GraphicEditor {
    //接收Shape时对象，然后根据type，来绘制不同的图形
    public void drawShape(Shape s) {
        if (s.m_type == 1) {
            drawRectangle(s);
        } else if (s.m_type == 2) {
            drawCircle(s);
        }
    }

    public void drawRectangle(Shape r) {
        System.out.println("绘制矩形");
    }

    public void drawCircle(Shape r) {
        System.out.println("绘制圆形");
    }
}

//Shape类，基类
class Shape {
    int m_type;
}

class Rectangle extends Shape {
    Rectangle() {
        super.m_type = 1;
    }
}

class Circle extends Shape {
    Circle() {
        super.m_type = 2;
    }
}

这段代码的优点是比较好理解，简单易操作。

缺点是违反了设计模式的开闭原则，即当我们给类增加新功能的时候，尽量不修改代码，或者尽可能少修改代码。

比如我们这时要新增加一个图形种类：三角形，我们需要修改的地方较多。

改进方案：把Shape类做成抽象类，并提供一个抽象的draw方法，让子类去实现即可，这样我们有新的图形种类时，只需要让新的图形类继承Shape，并实现draw方法即可，“使用方”的代码就不需要修改，满足了开闭原则。

7、迪米特法则

7.1 什么是迪米特法则

总的来说很难遵守，总结一下的话就是这么一回事儿。
在编制当中、外包的员工不算正式员工。

一个对象应该对其他对象保持最少的了解。

类与类关系越密切，耦合度越大。

迪米特法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 public 方法，不对外泄露任何信息。

迪米特法则还有个更简单的定义：只与直接的朋友通信。

每个对象都会与其他对象有耦合关系，只要两个对象之间有耦合关系，我们就说这两个对象之间是朋友关系。耦合的方式很多，依赖，关联，组合，聚合等。

直接朋友

其中，我们称出现成员变量，方法参数，方法返回值中的类为直接的朋友。

不是直接的朋友/陌生类

而出现在局部变量中的类不是直接的朋友。也就是说，陌生的类最好不要以局部变量的形式出现在类的内部。

7.2 应用实例

编程实现以下功能：有一个学校，下属有各个学院和总部，现要求打印出学校总部员工 ID 和学院员工的 id。

package Dimit;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Demeter1 {
    public static void main(String[] args) {
        SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
        schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
    }
}

//学校总部员工
class Employee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//学院员工
class CollegeEmployee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//管理学院员工的类
class CollegeManager {
    //返回学院的所有员工
    public List<CollegeEmployee> getAllEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list = new ArrayList<CollegeEmployee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {//增加了10个员工
            CollegeEmployee emp = new CollegeEmployee();
            emp.setId("学院员工id=" + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //获取学院员工
    public void printEmployee() {
        List<CollegeEmployee> list1 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

/**
 * 管理学校员工的类
 * 分析：SchoolManager类的直接朋友有哪些？
 * 直接朋友有“Employee”、“CollegeManager”
 * 非直接朋友有“CollegeEmployee”
 * 这就违背了迪米特法则
 */
class SchoolManager {
    //返回学校总部的员工
    public List<Employee> getAllEmployee() {
        List<Employee> list = new ArrayList<Employee>();

        for (int i = 0; i < 5; i++) { //增加了5个员工
            Employee emp = new Employee();
            emp.setId("学校总部员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //完成输出学校总部和学院员工信息的方法
    void printAllEmployee(CollegeManager sub) {
        //获取学院员工
        sub.printEmployee();
        //获取学校总部员工
        List<Employee> list2 = this.getAllEmployee();
        System.out.println("------------学校总部员工------------");
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

前面设计的问题在于 SchoolManager 中，CollegeEmployee 类并不是 SchoolManager 类的直接朋友。

按照迪米特法则，应该避免出现非直接朋友关系的耦合。

对代码按照迪米特法则进行改进如下：

package Dimit;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Demeter2 {
    public static void main(String[] args) {
        SchoolManager2 schoolManager2 = new SchoolManager2();
        schoolManager2.printAllEmployee2(new CollegeManager2());
    }
}

//学校总部员工
class Employee2 {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//学院员工
class CollegeEmployee2 {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

    public void setId(String id) {
        this.id = id;
    }
}

//管理学院员工的类
class CollegeManager2 {
    //返回学院的所有员工
    public List<CollegeEmployee2> getAllEmployee2() {
        List<CollegeEmployee2> list = new ArrayList<CollegeEmployee2>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {//增加了10个员工
            CollegeEmployee2 emp = new CollegeEmployee2();
            emp.setId("学院员工id=" + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //获取学院员工
    public void printEmployee2() {
        List<CollegeEmployee2> list1 = this.getAllEmployee2();
        System.out.println("------------学院员工------------");
        for (CollegeEmployee2 e : list1) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

/**
 * 管理学校员工的类
 * 分析：SchoolManager2类的直接朋友有哪些？
 * 直接朋友有“Employee2”、“CollegeManager2”
 * 非直接朋友有“CollegeEmployee2”
 * 这就违背了迪米特法则
 */
class SchoolManager2 {
    //返回学校总部的员工
    public List<Employee2> getAllEmployee2() {
        List<Employee2> list = new ArrayList<Employee2>();

        for (int i = 0; i < 5; i++) { //增加了5个员工
            Employee2 emp = new Employee2();
            emp.setId("学校总部员工id= " + i);
            list.add(emp);
        }
        return list;
    }

    //完成输出学校总部和学院员工信息的方法
    void printAllEmployee2(CollegeManager2 sub) {
        //获取学院员工
        sub.printEmployee2();
        //获取学校总部员工
        List<Employee2> list2 = this.getAllEmployee2();
        System.out.println("------------学校总部员工------------");
        for (Employee2 e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

7.3 注意事项

迪米特法则的核心是降低类之间的耦合性。

但是注意：由于每个类都减少了不必要的依赖，因此迪米特法则只是要求降低类间（对象间）耦合关系，并不是要求完全没有依赖关系。

8、合成复用原则

8.1 什么是合成复用原则

合成复用原则就是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

设计原则的核心思想

找出应用中可能需要变化之处，把它们独立出来，不要和那些不需要变化的代码混在一起；
针对接口编程，而不是针对实现编程；
为了交互对象之间的松耦合设计而努力。

小结

单一职责原则：一个类只负责一个职责。
接口隔离原则：减少重写不需要的方法，可以多写接口，不能多重写方法。
里氏替换原则：强调在子类继承父类之后，尽量不要重写父类的所有方法，可以都去继承一个 Base 基类。
开闭原则：尽量通过扩展软件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。多开功能，闭扩展。
迪米特法则：只与直接的朋友通信、难以遵守。
合成复用原则：尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。