软件设计模式：六大设计原则

文章目录

  • 前言
  • 一、开闭原则
  • 二、里氏替换原则
  • 三、依赖倒转原则
  • 四、接口隔离
  • 五、迪米特法则
  • 六、合成复用原则
  • 总结

前言

在软件开发中，为了提高软件系统的可维护性和可复用性，增加软件的可扩展性和灵活性，程序员要尽量根据6条原则来开发程序，从而提高软件开发效率、节约软件开发成本和维护成本。
六大设计原则：开闭原则、里氏代换原则、依赖倒转原则、接口隔离原则、迪米特原则、合成复用原则。

一、开闭原则

  • 对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。
  • 想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。
  • 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 搜狗输入法 的皮肤为例介绍开闭原则的应用。

【例】搜狗输入法 的皮肤设计。

分析：搜狗输入法 的皮肤是输入法背景图片、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输入法的皮肤，也可以从网上下载新的皮肤。这些皮肤有共同的特点，可以为其定义一个抽象类（AbstractSkin），而每个具体的皮肤（DefaultSpecificSkin和HeimaSpecificSkin）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。而且就算是厂家上新皮肤，只需要继承抽象类实现就行。

在这里插入图片描述

代码实现：

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: AbstractSkin* @Description: 皮肤抽象类* @Date: 2023/12/19 21:34*/
public abstract class AbstractSkin {// 显示的方法public abstract void display();
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: SougouInput* @Description: 搜狗输入法* @Date: 2023/12/19 21:40*/
public class SougouInput {private AbstractSkin skin;public void setSkin(AbstractSkin skin) {this.skin = skin;}public void display() {skin.display();}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: DefaultSkin* @Description: 默认皮肤类* @Date: 2023/12/19 21:35*/
public class DefaultSkin extends AbstractSkin{@Overridepublic void display() {System.out.println("默认皮肤");}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: DragonSkin* @Description: 浩泽皮肤类* @Date: 2023/12/19 21:38*/
public class DragonSkin extends AbstractSkin{@Overridepublic void display() {System.out.println("浩泽皮肤");}
}

模拟用户选择使用皮肤：

public class Client {@Testpublic void testSkin(){SougouInput input = new SougouInput();// 选择皮肤DefaultSkin skin = new DefaultSkin();// 设置皮肤input.setSkin(skin);// 显示input.display();}
}

二、里氏替换原则

  • 里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。
  • 里氏代换原则：任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。通俗理解：子类可以扩展父类的功能，但不能改变父类原有的功能。换句话说，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。
  • 如果通过重写父类的方法来完成新的功能，这样写起来虽然简单，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。

下面看一个里氏替换原则中经典的一个例子

【例】正方形不是长方形。

在数学领域里，正方形毫无疑问是长方形，它是一个长宽相等的长方形。所以，我们开发的一个与几何图形相关的软件系统，就可以顺理成章的让正方形继承自长方形。

在这里插入图片描述
代码实现：

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Rectangle* @Description: 长方形类* @Date: 2023/12/20 10:20*/
public class Rectangle {private double length;private double width;public double getLength() {return length;}public void setLength(double length) {this.length = length;}public double getWidth() {return width;}public void setWidth(double width) {this.width = width;}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Square* @Description: 正方形类* @Date: 2023/12/20 10:21*/
public class Square extends Rectangle {public void setWidth(double width) {super.setLength(width);super.setWidth(width);}public void setLength(double length) {super.setLength(length);super.setWidth(length);}
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: RectangleDemo* @Description: 变换长宽测试* @Date: 2023/12/20 10:24*/
public class RectangleDemo {public static void main(String[] args) {Rectangle r = new Rectangle();r.setLength(20);r.setWidth(10);resize(r);printLengthAndWithWidth(r);Square s = new Square();s.setLength(10);resize(s);printLengthAndWithWidth(r);}public static void resize(Rectangle rectangle) {while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);}}public static void printLengthAndWithWidth(Rectangle rectangle) {System.out.println("Length："+rectangle.getLength());System.out.println("Width："+rectangle.getWidth());}
}

在这里插入图片描述

运行发现正方形调用的方法一直没在有显示，仔细分析：那是因为正方形就一个边长，所以我们创建正方形类继承长方形时，让其长宽都等于一个值（正方形的边长），所以在测试类里，变换边长的函数里的while内的判断条件始终是true（rectangle.getWidth() == rectangle.getLength())），所以一直在循环里出不来。
正方形的宽度和长度都在不断增长，代码会一直运行下去，直至系统产生溢出错误。所以，普通的长方形是适合这段代码的，正方形不适合。
我们得出结论：在resize方法中，Rectangle类型的参数是不能被Square类型的参数所代替，如果进行了替换就得不到预期结果。因此，Square类和Rectangle类之间的继承关系违反了里氏代换原则，它们之间的继承关系不成立，正方形不是长方形。

如何改进呢？此时我们需要重新设计他们之间的关系。抽象出来一个四边形接口(Quadrilateral)，让Rectangle类和Square类实现Quadrilateral接口：
在这里插入图片描述

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Quadrilateral* @Description: 四边形接口* @Date: 2023/12/20 10:34*/
public interface Quadrilateral {double getLength();double getWidth();
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Rectangle* @Description: 长方形类* @Date: 2023/12/20 10:38*/
public class Rectangle implements Quadrilateral{private double length;private double width;public void setLength(double length) {this.length = length;}public void setWidth(double width) {this.width = width;}@Overridepublic double getLength() {return length;}@Overridepublic double getWidth() {return width;}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Square* @Description: 正方形类* @Date: 2023/12/20 10:36*/
public class Square implements Quadrilateral{private double side;public double getSide() {return side;}public void setSide(double side) {this.side = side;}@Overridepublic double getLength() {return side;}@Overridepublic double getWidth() {return side;}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: RectangleDemo* @Description: TODO(描述)* @Date: 2023/12/20 10:39*/
public class RectangleDemo {public static void main(String[] args) {Rectangle r = new Rectangle();r.setLength(20);r.setWidth(10);resize(r);printLengthAndWidth(r);}public static void resize(Rectangle rectangle) {while (rectangle.getWidth() <= rectangle.getLength()) {rectangle.setWidth(rectangle.getWidth() + 1);}}public static void printLengthAndWidth(Quadrilateral quadrilateral) {System.out.println("Length：" + quadrilateral.getLength());System.out.println("Width：" + quadrilateral.getWidth());}
}

这时square对象是无法调用的，resize只能传Rectangle类型

在这里插入图片描述

三、依赖倒转原则

高层模块不应该依赖低层模块，两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。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。

下面看一个例子来理解依赖倒转原则

【例】组装电脑

现要组装一台电脑，需要配件cpu，硬盘，内存条。只有这些配置都有了，计算机才能正常的运行。选择cpu有很多选择，如Intel，AMD等，硬盘可以选择希捷，西数等，内存条可以选择金士顿，西部数据等。

在这里插入图片描述

分析：上面的结构可以看到组装一台电脑，但是似乎组装的电脑的cpu只能是Intel的，内存条只能是金士顿的，硬盘只能是希捷的，这对用户肯定是不友好的，用户有了机箱肯定是想按照自己的喜好，选择自己喜欢的配件。

根据依赖倒转原则进行改进：

代码我们只需要修改Computer类，让Computer类依赖抽象（各个配件的接口），而不是依赖于各个组件具体的实现类。

在这里插入图片描述
代码实现：

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Computer* @Description: 电脑类* @Date: 2023/12/20 16:26*/
public class Computer {private HardDisk hardDisk;private Cpu cpu;private Memery memery;public HardDisk getHardDisk() {return hardDisk;}public void setHardDisk(HardDisk hardDisk) {this.hardDisk = hardDisk;}public Cpu getCpu() {return cpu;}public void setCpu(Cpu cpu) {this.cpu = cpu;}public Memery getMemery() {return memery;}public void setMemery(Memery memery) {this.memery = memery;}public void run(){System.out.println("计算机开始工作");cpu.run();memery.save();String data = hardDisk.get();System.out.println("从硬盘中获取的数据为：" + data);}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Cpu* @Description: Cpu接口* @Date: 2023/12/20 16:18*/
public interface Cpu {public void  run();
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: HardDisk* @Description: 硬盘接口* @Date: 2023/12/20 16:17*/
public interface HardDisk {public void save(String data);public String get();
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Memery* @Description: 内存条接口* @Date: 2023/12/20 16:19*/
public interface Memery {public void save();
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: IntelCpu* @Description: 英特尔 Cpu* @Date: 2023/12/20 16:23*/
public class IntelCpu implements Cpu{@Overridepublic void run() {System.out.println("使用Intel处理器");}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: KingstonMemory* @Description: 金士顿内存类* @Date: 2023/12/20 16:25*/
public class KingstonMemory implements Memery{@Overridepublic void save() {System.out.println("使用金士顿作为内存条");}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: XijieHardDisk* @Description: 希捷硬盘类* @Date: 2023/12/20 16:19*/
public class XijieHardDisk implements HardDisk{@Overridepublic void save(String data) {System.out.println("使用希捷硬盘存储数据：" + data);}@Overridepublic String get() {System.out.println("使用希捷硬盘取数据");return "数据";}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: TestComputer* @Description: 电脑测试类* @Date: 2023/12/20 16:28*/
public class TestComputer {public static void main(String[] args) {Computer computer = new Computer();computer.setCpu(new IntelCpu());computer.setHardDisk(new XijieHardDisk());computer.setMemery(new KingstonMemory());computer.run();}}

四、接口隔离

客户端不应该被迫依赖于它不使用的方法；一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

下面看一个例子来理解接口隔离原则

【例】安全门案例

我们需要创建一个浩泽品牌的安全门，该安全门具有防火、防水、防盗的功能。可以将防火，防水，防盗功能提取成一个接口，形成一套规范。类图如下：

在这里插入图片描述

上面的设计我们发现了它存在的问题，黑马品牌的安全门具有防盗，防水，防火的功能。现在如果我们还需要再创建一个传智品牌的安全门，而该安全门只具有防盗、防水功能呢？很显然如果实现SafetyDoor接口就违背了接口隔离原则，那么我们如何进行修改呢？看如下类图：

在这里插入图片描述
代码实现：

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: AntiTheft* @Description: 防盗功能接口* @Date: 2023/12/20 16:33*/
public interface AntiTheft {public void antiTheft();
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Fireproof* @Description: 防火功能接口* @Date: 2023/12/20 16:34*/
public interface Fireproof {public void fireproof();
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Waterproof* @Description: 防水功能接口* @Date: 2023/12/20 16:35*/
public interface Waterproof {public void wateproof();
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: DragonSafetyDoor* @Description: 龙牌安全门* @Date: 2023/12/20 16:36*/
public class DragonSafetyDoor implements AntiTheft,Fireproof,Waterproof{@Overridepublic void antiTheft() {System.out.println("防盗");}@Overridepublic void fireproof() {System.out.println("防火");}@Overridepublic void wateproof() {System.out.println("防水");}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: HaozeSafeDoor* @Description: 浩泽牌安全门* @Date: 2023/12/20 16:38*/
public class HaozeSafeDoor implements AntiTheft,Fireproof{@Overridepublic void antiTheft() {System.out.println("防盗");}@Overridepublic void fireproof() {System.out.println("防火");}
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: TestDoor* @Description: TODO(描述)* @Date: 2023/12/20 16:38*/
public class TestDoor {public static void main(String[] args) {HaozeSafeDoor haozeSafeDoor = new HaozeSafeDoor();DragonSafetyDoor dragonSafetyDoor = new DragonSafetyDoor();haozeSafeDoor.antiTheft();haozeSafeDoor.fireproof();dragonSafetyDoor.antiTheft();dragonSafetyDoor.fireproof();dragonSafetyDoor.wateproof();}
}

五、迪米特法则

迪米特法则又叫最少知识原则。

  • 只和你的直接朋友交谈，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。
  • 迪米特法则中的“朋友”是指：当前对象本身、当前对象的成员对象、当前对象所创建的对象、当前对象的方法参数等，这些对象同当前对象存在关联、聚合或组合关系，可以直接访问这些对象的方法。

下面看一个例子来理解迪米特法则

【例】明星与经纪人的关系实例

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，如和粉丝的见面会，和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。

类图如下：
在这里插入图片描述
代码实现：

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Agent* @Description: 经纪人类* @Date: 2023/12/20 21:11*/
public class Agent {private Start start;private Fans fans;private Company company;public void setStart(Start start) {this.start = start;}public void setFans(Fans fans) {this.fans = fans;}public void setCompany(Company company) {this.company = company;}public void meeting(){System.out.println(fans.getName() + "与明星" + start.getName() + "见面了。");}public void business() {System.out.println(company.getName() + "与明星" + start.getName() + "洽谈业务。");}
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Company* @Description: 公司类* @Date: 2023/12/20 21:10*/
public class Company {private String name;public Company(String name) {this.name = name;}public String getName() {return name;}
}
/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Fans* @Description: 粉丝类* @Date: 2023/12/20 21:09*/
public class Fans {private String name;public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Start* @Description: 明星类* @Date: 2023/12/20 21:08*/
public class Start {private String name;public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}
}

/*** @Version: 1.0.0* @Author: Dragon_王* @ClassName: Test* @Description: 测试类* @Date: 2023/12/20 21:15*/
public class Test {public static void main(String[] args) {Fans fans = new Fans();fans.setName("武汉粉丝团");Start start = new Start();start.setName("浩泽");Company company = new Company("华中经济公司");Agent agent = new Agent();agent.setStart(start);agent.setCompany(company);agent.setFans(fans);agent.meeting();agent.business();}
}

六、合成复用原则

-合成复用原则是指：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。
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。父类的实现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。
  • 对象间的耦合度低。可以在类的成员位置声明抽象。
  • 复用的灵活性高。这种复用可以在运行时动态进行，新对象可以动态地引用与成分对象类型相同的对象。

下面看一个例子来理解合成复用原则

【例】汽车分类管理程序

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。类图如下：

在这里插入图片描述
从上面类图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，就需要再定义新的类。我们试着将继承复用改为聚合复用看一下。
在这里插入图片描述

总结

以上就是软件设计模式六大设计原则的讲解。

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