万字总结之设计模式七大原则

前言

上篇说了反射，将其作为框架的基础知识。还没看过的移至传送门，万字总结之反射（框架之魂）。今天我们来看设计模式。话不多说，let's go。

什么是设计模式？

设计模式是对软件设计普遍存在的问题，所提出的解决方案。

与项目本身没有关系，不管是电商，ERP，OA 等，都可以利用设计模式来解决相关问题。

当然如果这个软件就只有一小部分人用，并且功能非常简单，在未来可预期的时间内，不会做任何大的修改和添加，即可以不使用设计模式。但是这种的太少了，所以设计模式还是非常重要的。

为什么要使用设计模式？

使用设计模式的最终目的是“高内聚低耦合”。

• 代码重用性：相同功能的代码，不需要多次编写
• 代码可读性：编程规范性，便于其他程序员阅读
• 代码可扩展性：当增加新的功能后，对原来的功能没有影响

设计模式的七大原则

设计模式有7大原则，具体如下，即这些不仅是设计模式的依据，也是我们平常编程中应该遵守的原则。

1.单一职责原则

见名知义，我们设计的类尽量负责一项功能，如A类只负责功能A，B类只负责功能B，不要让A类既负责功能A，又负责功能B，这样会导致代码混乱，容易产生bug。

未使用单一职责原则

Single类：

public class single {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.run("汽车");
        vehicle.run("轮船");
        vehicle.run("飞机");
    }
}

Vehicle类：

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

运行结果：

我们看下运行结果，汽车是在公路上开，但是轮船和飞机并不是在公路上。因为Vehicle类负责了不止一个功能，所以该设计是有问题的。

已使用单一职责原则

对于上面的例子，我们采用单一职责原则重写一下，将Vehicle类拆分成三个类，分别是Car，Ship，Plane，让他们各自负责陆地上，水上，空中的交通工具，使其互不影响。

如果我们需要对水上交通做“风级大于8级，禁止出海”的限制，就只需要对Ship类进行修改。

具体代码如下：

single类：

public class single {
    public static void main(String[] args) {
        Car car = new Car();
        car.run("汽车");

        Ship ship=new Ship();
        ship.run("轮船");

        Plane plane=new Plane();
        plane.run("飞机");
    }
}

Car类：

public class Car {
    void run(String type){
        System.out.println(type+"在公路上开");
    }
}

Ship类：

public class Ship {
    void run(String type){
        System.out.println(type+"在水里开");
    }
} 

Plane类：

public class Plane {
    void run(String type){
        System.out.println(type+"在天空开");
    }
}

运行结果：

优化

我们可以发现单一职责原则有点代码太多了，显得冗余。毕竟我们程序员是能少写就少写，决不能多写代码。那我们对其优化下，上面每个类只有一个方法，我们可以合并为一个类，其中有三个方法，每个方法对应着在公路上，在水上，在天空中的交通工具，将单一职责原则落在方法层面，而不再是类层面，代码如下：

single类：

public class single {
    public static void main(String[] args) {
        Vehicle vehicle = new Vehicle();
        vehicle.runOnRoad("汽车");

        vehicle.runOnWater("轮船");

        vehicle.runOnAir("飞机");
    }
}

Vehicle类：

public class Vehicle {
    void runOnRoad(String type){
        System.out.println(type+"在公路上开");
    }
    void runOnWater(String type){
        System.out.println(type+"在水里开");
    }
    void runOnAir(String type){
        System.out.println(type+"在天空开");
    }
} 

运行结果：

优缺点总结

优点：

• 降低类的复杂性，一个类只负责一个职责。
• 提高代码的可读性，逻辑清楚明了。
• 降低风险，只修改一个类，并不影响其他类的功能。

缺点：代码量增多。(可将单一职责原则落在方法层面进行优化)

2.接口隔离原则

类不应该依赖他不需要的接口，接口尽量小颗粒划分。

未使用接口隔离原则

People类：

public interface People {
    void exam();
    void teach();
}

Student类：

public class Student implements People {
    @Override
    public void exam() {
        System.out.println("学生考试");
    }

    @Override
    public void teach() {

    }
}

Teacher类：

public class Teacher  implements People{
    @Override
    public void exam() {

    }

    @Override
    public void teach() {
        System.out.println("教师教书");
    }
}

test类：

public class test {
    public static void main(String[] args){
        People student=new Student();
        student.exam();

        People teacher=new Teacher();
        teacher.teach();
    }
} 

运行结果：

注：此处代码并没有报错，正常运行的，但是看得代码冗余且奇怪。Student只需要实现People的exam方法，而Teacher只需要实现People的teach方法，但是现在Student实现了People接口，就必须重写exam和teach方法，Teacher也是如此。

已使用接口隔离原则

我们将People接口的两个方法拆分开，分为两个接口People1和People2，并且让Sudent实现People1接口，Teacher实现People2接口，使其互不干扰，具体代码如下：

People1类：

public interface People1 {
    void exam();
}

People2类：

public interface People2 {
    void teach();
}

Student类：

public class Student implements People1 {
    @Override
    public void exam() {
        System.out.println("学生考试");
    }
}

Teacher类：

public class Teacher  implements People2 {
    @Override
    public void teach() {
        System.out.println("教师教书");
    }
} 

test类：

public class test {
    public static void main(String[] args){
        People1 student=new Student();
        student.exam();

        People2 teacher=new Teacher();
        teacher.teach();
    }
}

运行结果：

总结

言归正传，如果将多个方法合并为一个接口，再提供给其他系统使用的时候，就必须实现该接口的所有方法，那有些方法是根本不需要的，造成使用者的混淆。

3.依赖倒转原则

高层模块不应该依赖底层模块，二者都应该依赖接口或抽象类。

其核心就是面向接口编程。

依赖倒转原则主要基于如下的设计理念：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。

抽象指接口或抽象类，细节指具体的实现类。

这样讲太干涩，照搬宣科，没有灵魂，说了等于没说。接下来我们用例子来说明。

未使用依赖倒转原则

由于现在是特殊时期，我们先来一个买菜的例子。如下是傻白甜的例子，未使用到依赖倒转原则。

Qingcai类：

public class Qingcai {
    public void run(){
        System.out.println("买到了青菜");
    }
} 

People类：

public class People {
    public void bug(Qingcai qingcai){
        qingcai.run();
    }
}

test类：

public class test {
    public static  void main(String[] args){
        People people=new People();
        people.bug(new Qingcai());
    }
}

　　

运行结果：

提出问题，思路转变（重点）

上述看着没啥问题，但是如果他不想买青菜，想买萝卜怎么办？我们当然可以新建一个萝卜类，再给他弄一个run方法，但是问题是People并没有操作萝卜类的方法，我们还需要在People添加对萝卜类的依赖。这样代码要修改的代码量太多了，模块与模块之间的耦合性太高，只要需要稍微有点变化，就要大面积重构，所以该设计不合理，我们看下其类图，如下：

这种设计是一般设计的思考方式，而依赖倒转原则中的倒转是指和平常的思考方式完全相反，先从底部开始，即先从Qingcai和Luobo开始，然后想是否能抽象出什么。很明显，他们都是蔬菜，然后我们再回头重新思考如何来设计，新的设计图如下：

（请原谅我手残党，画图都画不好。。。）

我们可以看到将低层的类抽象出一个接口Shucai，其直接和高层进行交互，而低层的一些类则不参与，这样能降低代码的耦合性，提高稳定性。

已使用依赖倒转原则

思路有了，那就来代码耍耍把。

Shucai类：

public interface Shucai {
    public void run();
}

Qingcai类：

public class Qingcai implements Shucai{
    public void run(){
        System.out.println("买到了青菜");
    }
}

Luobo类：

public class Luobo implements Shucai {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("买到了萝卜");
    }
}

People类：

public class People {
    public void bug(Shucai shucai){
        shucai.run();
    }
}

test类：

public class test {
    public static  void main(String[] args){
        People people=new People();
        people.bug(new Qingcai());
        people.bug(new Luobo());
    }
}

运行结果：

总结

该原则重点在“倒转”，要从低层往上思考，尽量抽象抽象类和接口。此例子很好的解释了“上层模块不应该依赖低层模块，他们都应该依赖于抽象”。在最开始的设计中，上层模块依赖了低层模块，调整后，上层模块和低层模块都依赖于接口Shucai，依赖关系从图中可以看出来了“倒转”。

4.里氏替换原则

继承的优缺点

里氏替换原则是1988年麻省理工姓李的女士提出，它是阐述了对继承extends的一些看法。

继承的优点：

1. 提高代码的重用性，子类也有父类的属性和方法。
2. 提高代码的可扩展性，子类有自己特有的方法。

继承的缺点：

当父类发生改变的时候，要考虑子类的修改。

里氏替换原则是继承的基础，只有当子类替换父类时，软件功能仍然不受到影响，才说明父类真正被复用啦。

使用里氏替换原则1

子类必须实现父类的抽象方法，但不得重写（覆盖）父类的非抽象（已实现）方法。

反例

父类A：

public class A {
    public void run(){
        System.out.println("父类执行");
    }
} 

子类B：

public class B extends A{
    public void run(){
        System.out.println("子类执行");
    }
} 

测试类test:

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.run();
        System.out.println("将子类替换成父类：");
        B b = new B();
        b.run();
    }
}

运行结果：

注：我每次使用子类替换父类的时候，还要担心这个子类有没有可能导致问题。此处子类不能直接替换成父类，故没有遵循里氏替换原则。

使用里氏替换原则2

子类中可以增加自己特有的方法

父类A:

public class A {
    public void run(){
        System.out.println("父类执行");
    }
}

子类B：

public class B extends A{
    public void runOwn(){
        System.out.println("子类执行");
    }
}

测试类test：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.run();

        System.out.println("将子类替换成父类：");
        B b = new B();
        b.run();

        b.runOwn();
    }
}

运行结果：

注：父类A 有run方法，继承父类A的子类B有runOwn方法，测试类test先是调用A类的run方法，接着用B类替换A类，发现还是执行的是父类A的run方法，最后再调用子类B特有的方法runOwn方法。如上，说明该段代码已使用了里氏替换原则。

使用里氏替换原则3

当子类覆盖或实现父类的方法时，方法的前置条件（即方法的形参）要比父类方法的输入参数更宽松。

父类A：

public class  A {
    public void run(HashMap hashMap){
        System.out.println("父类执行");
    }
}

子类B :

public class B extends A{
    public void run(Map map){
        System.out.println("子类执行");
    }
}

测试类test：

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.run(new HashMap());

        System.out.println("将子类替换成父类：");
        B b = new B();
        b.run(new HashMap());

    }
}

运行结果：

我们可以看到在测试类test中，将父类A替换成子类B的时候，还是显示的执行结果“父类执行”，我们可以发现他并不是重写，而是方法重载，因为参数不一样，所以他其实是对继承的规范化，为了更好的使用继承。关于是否为方法重载或重写，我们从下图看：

如果是重写，在上图标红的位置会出现箭头，我们可以看出是实际为重载。

那如果没有使用这个规则，会是什么样？看下面的代码：

父类A：

public class  A {
    public void run(Map map){
        System.out.println("父类执行");
    }
}

子类B：

public class B extends A{
    public void run(HashMap hashMap){
        System.out.println("子类执行");
    }
}

测试test:

public class test {
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        a.run(new HashMap());

        System.out.println("将子类替换成父类：");
        B b = new B();
        b.run(new HashMap());

    }
}

运行结果：

我们可以看到将子类的范围比父类大的时候，替换的子类还是执行自己的子类方法。此不符合里氏替换原则。

总结

我们平常好像也没有遵循这些里氏替换原则，程序还是正常跑。其实如果不遵循里氏替换原则，你写的代码出问题的几率会大大增加。

5.开闭原则（重点）

基本介绍

前面四个原则，单一职责原则，接口屏蔽原则，依赖倒转原则，里氏替换原则可以说都是为了开闭原则做铺垫，其是编程汇总最基础，最重要的设计原则，核心为对扩展开发，对修改关闭，简单来说，通过扩展软件的行为来实现变化，而不是通过修改来实现，尽量不修改代码，而是扩展代码。

未使用开闭原则

接口transport：

public interface transport {
    public void run();
}

Bus:

public class Bus implements transport {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("大巴在公路上跑");
    }
}

当我们修改需求，让大巴也能有在水里开的属性，我们可以对Bus类添加一个方法即可。但是这个已经违背了开闭原则，如果业务复杂，这样子的修改很容易出问题的。

已使用开闭原则

我们可以新增一个类，实现transport接口，并继承Bus类，写自己的需求即可。

public class universalBus extends Bus implements transport {
    @Override
    public void run() {
        System.out.println("大巴既然在公路上开，又能在水里开");
    }
}

6.迪米特原则

介绍

1. 一个对象应该对其他对象保持最少的了解。
2. 类与类关系越密切，耦合度越大
3. 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。对外除了提供的public 方法，不对外泄露任何信息
4. 迪米特法则还有个更简单的定义：只与直接（熟悉）的朋友通信
5. 直接（熟悉）的朋友：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。
   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，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。

 

把上面的概念一一翻译成人话就是：

1. 我们这个类姑娘啊，因为太矜持了不善于社交，所以对其他类伙伴们不怎么熟悉。
2. 类姑娘实在是太害羞了，一旦与别人多说几句话就会紧张的不知所措，频频犯错。
3. 矜持的类姑娘尽管心思很活跃，爱多想。但是给别人的感觉都是纯洁的像一张白纸。
4. 因为类姑娘太过于矜持，害怕陌生人，认为陌生人都是坏人，所以只与自己熟悉的朋友交流。
5. 类姑娘熟悉的朋友有：成员变量，方法参数，方法返回值的对象。而出现在其他地方的类都是陌生人，坏人！本姑娘拒绝与你交流！！！

哈哈，这样应该大家都能理解了。总而言之就一句话：一个类应该尽量不要知道其他类太多的东西，不要和陌生的类有太多接触。

未使用迪米特原则

总公司员工Employee类：

public class Employee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

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

分公司员工SubEmployee类：

public class SubEmployee {
    private String id;

    public String getId() {
        return id;
    }

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

总公司员工管理EmployeeManager类：

public class EmployeeManager {
    public List<Employee> setValue(){
        List<Employee> employees=new ArrayList<Employee>();
        for(int i=0;i<10;i++){
            Employee employee=new Employee();
            employee.setId("总公司"+i);
            employees.add(employee);
        }
        return  employees;
    }

    public void printAllEmployee(SubEmployeeManager sub){
        List<SubEmployee> list1 = sub.setValue();
        for(SubEmployee e:list1){
            System.out.println(e.getId());
        }

        List<Employee> list2 = this.setValue();
        for(Employee e:list2){
            System.out.println(e.getId());
        }
    }

}

分公司员工管理SubEmployeeManager类：

public class SubEmployeeManager {
    public List<SubEmployee> setValue(){
        List<SubEmployee> subEmployees=new ArrayList<SubEmployee>();
        for(int i=0;i<10;i++){
            SubEmployee subEmployee=new SubEmployee();
            subEmployee.setId("分公司"+i);
            subEmployees.add(subEmployee);
        }
        return subEmployees;
    }
}

测试类：

public class test {
    public static  void main(String[] args){
        EmployeeManager employeeManager=new EmployeeManager();
        SubEmployeeManager subEmployeeManager=new SubEmployeeManager();
        employeeManager.printAllEmployee(subEmployeeManager);
    }
} 

运行结果：

上面的代码是正常运行的，但是可以看到一个问题，EmployeeManager类的printAllEmployee方法中使用的局部变量SubEmployee是不符合迪米特法则的，其是陌生朋友，应该拒绝沟通。

已使用迪米特原则

EmployeeManager类:

public class EmployeeManager {
    public List<Employee> setValue() {
        List<Employee> employees = new ArrayList<Employee>();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Employee employee = new Employee();
            employee.setId("总公司" + i);
            employees.add(employee);
        }
        return employees;
    }

    public void printAllEmployee(SubEmployeeManager sub) {
        sub.printAllSubEmployee();

        List<Employee> list2 = this.setValue();
        for (Employee e : list2) {
            System.out.println(e.getId());
        }
    }

}

SubEmployeeManager类：

public class SubEmployeeManager {
    public List<SubEmployee> setValue(){
        List<SubEmployee> subEmployees=new ArrayList<SubEmployee>();
        for(int i=0;i<10;i++){
            SubEmployee subEmployee=new SubEmployee();
            subEmployee.setId("分公司"+i);
            subEmployees.add(subEmployee);
        }
        return subEmployees;
    }

    public void printAllSubEmployee(){
        List<SubEmployee> list1 = setValue();
        for(SubEmployee e:list1){
            System.out.println(e.getId());
        }
    }
}

我们将EmployeeManager类printAllEmployee方法中的打印分公司的代码移到了分公司的管理类SubEmployeeManager类中，再在方法中显示的调用SubEmployeeManager类的方法，这符合迪米特法则的。

7.合成复用原则

尽量使用合成/集合，不要用继承。

如果使用继承，会使得耦合性加强，尽量作为方法的输入参数或类的成员变量，这样可以避免耦合。

结语

所有的原则只是规范，为了代码更加优雅，为了让人一目了然。如果一定不遵循原则，那代码还是可以跑的，只是日后出bug的可能性提高。

以上，简单来说，主要包括两点：

1.找出应用中需要变化的独立出来，不要和固定的混合在一起。

2.面向接口编程，而不是面向实现编程。

参考资料

设计模式六大原则（一）：单一职责原则

设计模式的七大原则(1) --单一职责原则

六大设计原则之依赖倒置原则（DIP） 

设计模式之里氏替换原则