软件设计师 上午题 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。^[1]

设计模式提供了相关问题的解决方案，使得人们可以更加简单方便地复用成功的设计和体系结构，其中一般有以下4个基本要素：

1. 模式名称：一个助记名，用一两个词来描述模式的问题、解决方案和效果。
2. 问题：问题描述了应该在何时使用模式。
3. 解决方案：解决方案描述了设计的组成成分、它们之间的相互关系以及各自的职责和协作方式。
4. 效果：效果描述了模式应用的效果以及使用模式应权衡的问题。

而总的来说，设计模式部分的内容可以按着下面这个表格梳理：

一、创建型设计模式

创建型设计模式的侧重点为对象创建机制，也就是说通过控制对象的创建方式来提升代码的灵活性和可复用性。

因此，创建型模式在什么被创建，谁创建它，它是怎样被创建的，以及何时创建这些方面给予了很大的灵活性。它们允许用结构和功能差别很大的“产品”对象配置一个系统。配置可以是静态的(即在编译时指定)，也可以是动态的(在运行时)。^[1]

一般来说，创建型设计模式有以下几种具体的实现方式：

Ⅰ 工厂模式

工厂模式是最常见的设计模式之一，它提供了一种使得创建对象的过程与使用对象的过程分离的方式，使得用户在创建对象时无需指定要创建的具体类。就如同如果朱博宁去买高铁，它只需要去提车即可，不需要关心高铁是如何制造出来的。工厂模式具体有以下几种：

1. 简单工厂模式

简单工厂模式不属于GoF 23种设计模式，但它是工厂方法模式实现的基础。简单工厂模式提供一个静态工厂方法，可以根据传入的参数决定创建哪种具体产品类的实例。但这显然违背了开闭原则(Open for extension, closed for modification)，如果要新增产品就要修改工厂逻辑。

2. 工厂方法模式

和简单工厂模式不同的是，工厂方法模式中定义了一个创建对象的接口，这样一来就满足了开闭原则。

在工厂方法模式当中，父类（抽象工厂）只声明创建方法（比如上图中的createProduct()）而不关心具体实现，子类（具体工厂）负责实现父类的创建方法并返回具体的产品实例。

3. 抽象工厂模式

和工厂方法模式当中创建单一产品不同的是，抽象工厂模式当中创建了一个产品家族，即一系列相关或相互依赖的的对象。

Ⅱ 生成器模式

生成器模式的特点是将对象的构造过程与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示，主要用于分步骤构建复杂对象，其结构如下所示：

Ⅲ 原型模式

原型模式的核心思想是通过复制现有对象（原型）来创建新对象，而不是通过new实例化。因此原型模式可以基于克隆快速生成对象，避免重复执行耗时的初始化操作。其结构如下所示：

Ⅳ 单例模式

单例模式确保一个类中只有一个实例，并提供一个全局访问点。它通过控制实例化过程，避免重复创建对象，节省资源。其结构如下所示：

Ⅴ 真题赏析

ACAD，对于（45）而言，所谓的构造一个使用Builder接口的对象指的就是控制整个流程的类，是Director(指挥者)，那么对于本题而言就是Waiter。此外，对于（47）而言，Builder模式适用于：1）创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分以及装配方式时；2）当构造过程必须允许被构造对象有不同的表示时。

二、结构型设计模式

结构型设计模式是一类用于处理对象组合和关系的设计模式，其重点解决：1）如何组合类和对象以形成更大的结构；2）如何简化对象间的依赖关系，提升灵活性和可扩展性。
结构型设计模式有以下七种经典模式：

Ⅰ 适配器模式

适配器模式的核心思想是通过一个中间层（适配器）来解决接口不匹配的问题，类似于电源插头转换器的角色。它用于将不兼容的接口转换为客户端期望的接口，使原本无法协同工作的类能够一同工作。适配器模式的结构如下所示：

Ⅱ 桥接模式

桥接模式的核心思想是通过组合代替继承，解决多层继承带来的类爆炸问题，提升系统的灵活性和可扩展性。这使得桥接模式可以将抽象部分和实现部分分离，使得它们可以独立变化。桥接模式的结构如下所示：

其中，抽象是系统的高级控制逻辑，定义客户端直接使用的接口和行为。抽象并不关心具体实现细节，而是通过组合持有一个实现的引用。而实现则是系统的底层核心操作，独立于抽象，可以自由变化或者替换。

Ⅲ 组合模式

假如现在有这么一个公司组织结构：

CEO
├── 技术部
│   ├── 开发组
│   │   ├── 程序员A（叶子）
│   │   └── 程序员B（叶子）
│   └── 测试组
│       └── 测试员X（叶子）
└── 财务部
    └── 会计Y（叶子）

在组合模式当中，无论是部门（容器节点）还是员工（叶子结点），都可以被统一看作“公司成员”。它们之间的区别是叶子结点直接实现基础行为，而容器节点除了自身行为之外还可以递归调用子节点的方法。例如在计算全公司人数时，只需要让每个“公司成员”返回自己的人数并进行递归累加即可，无需区分部门还是员工。
这就是组合模式，它会将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次关系，使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。其结构如下图所示：

Ⅳ 装饰器

装饰器的核心思想是通过嵌套包装对象来扩展功能，而非通过子类继承。因此，装饰器模式可以用于动态地为对象添加额外职责。其结构如下所示：

Ⅴ 外观模式

外观模式的核心思想是用一个高层接口包装一组接口，让客户端只需调用一个简单方法就能完成复杂功能。这样一来就可以为复杂的子系统提供一个统一的简化接口，隐藏内部细节，降低客户端与子系统的耦合度。外观模式的结构如下图所示：

其中，Facade知道哪些子系统类复制处理请求，会将客户的请求代理给适当的子系统对象。

Ⅵ 享元模式

享元模式的核心思想是分离对象的固有状态（共享）和外部状态（非共享），从而通过共享技术高效地支持大量细粒度对象的复用，进而减少内存占用和对象创建开销。享元模式的结构如下图所示：

例如在一款射击游戏当中需要渲染大量子弹，对于每颗子弹而言有以下属性：

• 固有状态（共享）：纹理图片、颜色、伤害值等（所有子弹相同）。
• 外部状态（非共享）：位置坐标、飞行角度等（每颗子弹不同）。

享元模式就是共享相同纹理的子弹对象来解决内存消耗过大的问题。

Ⅶ 代理模式

代理模式通过创建一个代理对象来控制对原始对象的访问，在不改变原始类的情况下增强功能。代理模式的核心思想是由“代理”充当中间人，在客户端和目标对象之间插入一层，用于添加额外逻辑。其结构如下图所示：

Ⅷ 真题赏析

CDAB，桥接模式适用于：

1. 不希望在抽象和它的实现部分之间有一个固定的绑定关系。
2. 类的抽象以及它的实现都应该可以通过生成子类的方法加以扩充。
3. 对一个抽象的实现部分的修改应对客户不产生影响，即客户代码不必重新编译。
4. (C++)想对客户完全隐藏抽象的实现部分。
5. 有许多类要生成的类层次结构。
6. 想在多个对象间共享实现(可能使用引用计数)，但同时要求客户并不知道这一点。

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CD，对于（45）题的A选项而言，这是责任链模式的适用情况。

三、行为型设计模式

行为型设计模式是设计模式当中的最后一大类，和先前介绍的注重于对象创建机制的创建型设计模式、注重于对象组合和关系的结构型设计模式不同的是，行为型设计模式专注于对象之间的交互方式和算法的封装。这类设计模式不关注对象如何创建或者组合，而是定义对象如何协作完成任务。

常见的行为型设计模式有以下11种（死…）：

Ⅰ 责任链模式

责任链使得多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接收者之间的耦合关系。它允许用户将请求沿着处理链传递，直到有一个处理者能够处理它。其结构如下图所示：

Ⅱ 命令模式

命令模式将请求封装为独立的对象（命令），允许用户参数化客户端（调用者）与接收者（执行者），从而支持请求的排队、撤销、日志记录等操作。其结构如下图所示：

Ⅲ 解释器模式

解释器模式的核心思想是“将语言种的每个语法规则表示为一个类，通过组合这些类来构建语法树，最终解释执行”。因此这种设计模式可以用于定义一种语言的语法规则，并提供一个解释器来解释该语言中的表达式。其结构如下图所示：

Ⅳ 迭代器模式

迭代器模式提供一种方法顺序访问聚合对象（列表、树等）中的元素，而不需要暴露该对象的内部表示，这实际上是将遍历逻辑从聚合对象中分离出来了。这种设计模式的结构如下所示：

Ⅴ 中介者模式

中介者模式的核心思想是“使用一个中介者来封装一系列对象之间的交互，使各个对象不需要显式地相互引用”，即通过引入中介对象来集中管理多个对象之间的交互，从而减少对象间的直接耦合，使系统更易于维护和扩展。这种设计模式的结构如下图所示：

Ⅵ 备忘录模式

备忘录模式的核心思想是“在不暴露对象实现细节的情况下，保存和恢复其内部状态”，它允许在不破坏封装性的前提下捕获并外部化对象的内部状态，以便后续可以恢复到该状态。其结构如下图所示：

Ⅶ 观察者模式

在观察者模式当中定义了对象间的一对多依赖关系，当一个对象（主题）状态改变时，所有依赖它的对象（观察者）都会自动收到通知并更新。其结构如下图所示：

Ⅷ 状态模式

状态模式的核心为：同一个动作在不同状态下有不同的表现。例如日常用的台灯，正常状态下按开关出现的是白光，护眼模式下同样按开关出现的却是黄光。

（状态模式）允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。^[1]

状态模式的结构如下图所示：

Ⅸ 策略模式

策略模式是一种将算法抽离出来的设计模式，它定义一系列算法（策略）​​，并将每个算法封装成独立类，使它们可以​​互相替换​​，且算法的变化不影响使用它的客户端。该模式的结构如下图所示：

Ⅹ 模板方法

模板方法模式的核心思想为：“在不改变算法结构的情况下，允许子类重写算法的特定步骤”，这就类似于我们在按照食谱做一道菜的时候，大致的步骤是固定的，但其中诸如撒盐多少的细节就可以根据个人喜好进行调整。也就是说，模板方法模式在父类当中定义算法的骨架，而将某些步骤的具体实现延迟到子类当中完成，其结构如下图所示：

XI 访问者模式

最后一个！！！

访问者模式适用于对象结构稳定但需要频繁新增操作的场景，它可以将数据结构和数据操作分离，允许在不修改对象类的前提下，让新增操作像“访问者”一样灵活接入。这种设计模式的结构如下图所示：

三、真题赏析

1. 软件设计师教程（第五版）. (2018). ↩