面向对象思想设计原则及常见的设计模式

2023年7月13日 210次阅读来源: 算法小白

JAVA基础再回首（二十六）——面向对象思想设计原则、设计模式、简单工厂模式、工厂方法模式、单例设计模式之饿汉式和懒汉式、Runtime类

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这篇我们来学习面向对象思想设计原则及常见的设计模式

面向对象思想设计原则

在实际的开发中，我们要想更深入的了解面向对象思想，就必须熟悉前人总结过的面向对象的思想的设计原则，那么都有哪些原则呢，我们就来了解一下

单一职责原则
- 其实就是开发人员经常说的”高内聚，低耦合”
开闭原则
- 核心思想是：一个对象对扩展开放，对修改关闭。其实开闭原则的意思就是：对类的改动是通过增加代码进行的，而不是修改现有代码。
里氏替换原则
- 核心思想：在任何父类出现的地方都可以用它的子类来替代。其实就是说：同一个继承体系中的对象应该有共同的行为特征。
依赖注入原则
- 核心思想：要依赖于抽象，不要依赖于具体实现。
接口分离原则
- 核心思想：不应该强迫程序依赖它们不需要使用的方法。
迪米特原则
- 核心思想：一个对象应当对其他对象尽可能少的了解
  这些原则呢，我们在平时开发中可以用到，做一些大一点的项目，就要考虑用到这些思想，下面，我简单的介绍一下这些原则的核心思想，大家做以了解，如果要将这些原则运用到自己项目中，还要自己更加深入的学习、理解、运用。

设计模式

设计模式在我们开发中还是经常用到的，那么，下面我们来学习一下

设计模式概述
- 设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。
- 设计模式不是一种方法和技术，而是一种思想
- 设计模式和具体的语言无关，学习设计模式就是要建立面向对象的思想，尽可能的面向接口编程，低耦合，高内聚，使设计的程序可复用
- 学习设计模式能够促进对面向对象思想的理解，反之亦然。它们相辅相成
设计模式的几个要素：
- 名字必须有一个简单，有意义的名字
- 问题描述在何时使用模式
- 解决方案描述设计的组成部分以及如何解决问题
- 效果描述模式的效果以及优缺点
设计模式的分类
- 创建型模式对象的创建
- 结构型模式对象的组成(结构)
- 行为型模式对象的行为
创建型模式：简单工厂模式，工厂方法模式，抽象工厂模式，建造者模式，原型模式，单例模式。(6个)
结构型模式：外观模式、适配器模式、代理模式、装饰模式、桥接模式、组合模式、享元模式。(7个)
行为型模式：模版方法模式、观察者模式、状态模式、职责链模式、命令模式、访问者模式、策略模式、备忘录模式、迭代器模式、解释器模式。(10个)

设计模式的分类虽然很多，但是我们平时能用到的也就下面几种而已，所以不要被它这么多模式所吓倒。

常见的设计模式
- 简单工厂模式和工厂方法模式(接口)
- 模版设计模式(抽象类)
- 装饰设计模式(IO流)
- 单例设计模式(多线程)
- 适配器模式(GUI)
  下面我们就来学习我们常用的几种设计模式，让大家掌握，熟悉，并运用到自己的项目中，学会学以致用。

简单工厂模式

简单工厂模式概述
- 又叫静态工厂方法模式，它定义一个具体的工厂类负责创建一些类的实例
  我们来写一个简单的例子来解释简单工厂模式

/* * 抽象的动物类，里面有抽象的方法 */
public abstract class Animal {
    public abstract void eat();
}

/* * 具体的动物猫继承抽象动物类，重写抽象方法 */
public class Cat extends Animal {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("猫吃鱼");
    }
}

/* * 具体的动物狗继承抽象动物类，重写抽象方法 */
public class Dog extends Animal {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃肉");
    }
}

/* * 动物工厂类，可以造猫和狗 */
public class AnimalFactory {

    private AnimalFactory() {
    }
    public static Animal createAnimal(String type) {
        if ("dog".equals(type)) {
            return new Dog();
        } else if ("cat".equals(type)) {
            return new Cat();
        } else {
            return null;
        }
    }
}

/* * 测试类 */
public class AnimalDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // 工厂有了后，通过工厂给造
        Animal a = AnimalFactory.createAnimal("dog");
        a.eat();
        a = AnimalFactory.createAnimal("cat");
        a.eat();

        // NullPointerException
        a = AnimalFactory.createAnimal("pig");
        if (a != null) {
            a.eat();
        } else {
            System.out.println("对不起，暂时不提供这种动物");
        }
    }
}

运行程序控制台输出

以前我们在学代码的时候，不会去创建这个动物的工厂类，而是直接具体类的调用，比如：

        Dog d = new Dog();
        d.eat();
        Cat c = new Cat();
        c.eat();

现在我们运用了简单工厂模式后，就不用每次用的时候去new对象，而是直接去调用这个工厂类里面的具体方法，它会给我们返回一个已经new好的对象。那么这样做有什么有缺点呢，我们来总结一下。

优点
- 客户端不需要在负责对象的创建，从而明确了各个类的职责
缺点
- 这个静态工厂类负责所有对象的创建，如果有新的对象增加，或者某些对象的创建方式不同，就需要不断的修改工厂类，不利于后期的维护
  当我们要用一个模式时，当这个模式的优点大于缺点的时候，我们就可以使用了，但是在简单工厂模式中我们可以看到它的缺点，当我们有新的对象增加时，就要不断的修改工厂类，所以不推荐大家用简单工厂模式，那么我们要用什么呢，这就引出了我们要学的下一个知识点工厂方法模式

工厂方法模式

工厂方法模式概述
- 工厂方法模式中抽象工厂类负责定义创建对象的接口，具体对象的创建工作由继承抽象工厂的具体类实现。
  我们就来用工厂方法模式对上面的那个例子进行改进

/* * 抽象的动物类，里面有抽象的方法 */
public abstract class Animal {
    public abstract void eat();
}

/* * 工厂类接口，里面有抽象的创造动物的方法 */
public interface Factory {
    public abstract Animal createAnimal();
}

/* * 具体的猫类继承抽象动物类，重写抽象方法 */
public class Cat extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("猫吃鱼");
    }
}

/* * 猫工厂类实现工厂类并实现它的抽象方法，返回一个猫对象 */
public class CatFactory implements Factory {

    @Override
    public Animal createAnimal() {
        return new Cat();
    }
}

/* * 具体的狗类继承抽象动物类，重写抽象方法 */
public class Dog extends Animal {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("狗吃肉");
    }
}

/* * 狗工厂类实现工厂类并实现它的抽象方法，返回一个狗对象 */
public class DogFactory implements Factory {

    @Override
    public Animal createAnimal() {
        return new Dog();
    }
}

/* * 测试类 */
public class AnimalDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 需求：我要买只狗
        Factory f = new DogFactory();
        Animal a = f.createAnimal();
        a.eat();

        //需求：我要买只猫
        f = new CatFactory();
        a = f.createAnimal();
        a.eat();
    }
}

运行程序，控制台会输出，狗吃肉猫吃鱼
我们仔细观察用工厂方法模式比比简单工厂模式多了几个类，但是当我们在需要一种动物猪时，我们就不用去修改工厂类里面的代码了，只需用创建一个猪类继承抽象动物类，重写抽象方法，再创建一个猪的工厂类实现工厂类并实现它的抽象方法，就可以了。代码具有很强的维护性和扩展性，那么我们来分析一下工厂方法模式的优缺点。

优点
- 客户端不需要在负责对象的创建，从而明确了各个类的职责，如果有新的对象增加，只需要增加一个具体的类和具体的工厂类即可，不影响已有的代码，后期维护容易，增强了系统的扩展性
缺点
- 需要额外的编写代码，增加了工作量
  我们可以看到工厂方法模式的优点明显大于缺点，所以推荐大家使用。

单例设计模式

单例设计模式概述
- 单例模式就是要确保类在内存中只有一个对象，该实例必须自动创建，并且对外提供。

如何实现类在内存中只有一个对象呢?
构造私有
本身提供一个对象
通过公共的方法让外界访问

那么我们就来学习单例模式中饿汉式和懒汉式 这两种模式，并做以比较

饿汉式

饿汉式：类一加载就创建对象

public class Student {
    // 构造私有
    private Student() {
    }

    // 自己造一个对象
    // 静态方法只能访问静态成员变量，加静态
    // 为了不让外界直接访问修改这个值，加private
    private static Student s = new Student();

    // 提供公共的访问方式
    // 为了保证外界能够直接使用该方法，加静态
    public static Student getStudent() {
        return s;
    }
}

public class StudentDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // 通过单例得到对象
        Student s1 = Student.getStudent();
        Student s2 = Student.getStudent();
        System.out.println(s1 == s2);   //true


    }
}

运行程序，控制台会输出true，说明我们用单例模式的饿汉式确保类在内存中只有一个对象，他的特点就是类一加载就创建对象,可以在代码中Student类中体现到。那么我们怎样才能在用这个对象的时候才去创建它呢，我们就要来看下懒汉式了。

懒汉式

懒汉式：用对象的时候，才去创建对象

public class Teacher {
    private Teacher() {
    }

    private static Teacher t = null;

    public static Teacher getTeacher() {    
        if (t == null) {
            t = new Teacher();//当我们去用这个对象的时候才去创建它
        }
        return t;
    }
}

public class TeacherDemo {
    public static void main(String[] args) {

        Teacher t1 = Teacher.getTeacher();
        Teacher t2 = Teacher.getTeacher();
        System.out.println(t1 == t2); //true

    }
}

单例模式的饿汉式和懒汉式是不是很容易理解呢，那么我们什么时候用饿汉式什么时候用懒汉式呢？
我们就来总结一下

饿汉式懒汉式比较

饿汉式我们经常在开发中使用，因为饿汉式是不会出问题的单例模式
懒汉式我们在面试中回答用，因为懒汉式可能会出问题的单例模式。
面试主要面两个思想，分别是：

懒加载思想(延迟加载)
线程安全问题（就要考虑下面3个方面）
- 是否多线程环境
- b:是否有共享数据
- c:是否有多条语句操作共享数据
  如果都是，就会存在线程的安全问题，我们上面的懒汉式代码是不完整的，应该给对象中的方法加上synchronized关键字，这样才算完整

public synchronized static Teacher getTeacher() {   
        if (t == null) {
            t = new Teacher();
        }
        return t;
    }

Runtime类

我们在这里为什么要说Runtime类，因为它在Java中的设计就是按照单例模式之饿汉式设计的，我们来看一段源码

    class Runtime {
            private Runtime() {}
            private static Runtime currentRuntime = new Runtime();
            public static Runtime getRuntime() {
                return currentRuntime;
            }
      }

我们来了解一下他的概述

每个 Java 应用程序都有一个 Runtime 类实例，使应用程序能够与其运行的环境相连接。可以通过 getRuntime 方法获取当前运行时。
应用程序不能创建自己的 Runtime 类实例。
Runtime类使用
- public Process exec(String command)
  这个类是用来干什么的呢，它可以帮助我们运行DOS命令，比如打开记事本、计算器之类的电脑工具，当然也有更多的功能，我们来体验一下

public class RuntimeDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Runtime r = Runtime.getRuntime();

         r.exec("notepad");

    }
}

运行程序会帮我们打开记事本

 r.exec("calc");//换成calc，会帮我们打开计算机

r.exec("shutdown -s -t 1000");

这个命令会帮我们把电脑定时关机，上面的意思就是1000秒以后关机，我们来看运行后的效果图

那么怎么取消呢?

r.exec("shutdown -a");

哈哈，这样就取消了

下面我们来说说模版设计模式和装饰设计模式，这个大家作为了解，想要深入学习的话，可以在网上查阅相关的资料进行学习

模版设计模式

模版设计模式概述
- 模版方法模式就是定义一个算法的骨架，而将具体的算法延迟到子类中来实现
优点
- 使用模版方法模式，在定义算法骨架的同时，可以很灵活的实现具体的算法，满足用户灵活多变的需求
缺点
- 如果算法骨架有修改的话，则需要修改抽象类

我们可以在计算程序的运行时间中应用模版设计模式，在代码中我们只需用改变要计算的代码就可以了，把计算的时间设计成一个模版。

装饰设计模式

装饰设计模式概述
- 装饰模式就是使用被装饰类的一个子类的实例，在客户端将这个子类的实例交给装饰类。是继承的替代方案
优点
- 使用装饰模式，可以提供比继承更灵活的扩展对象的功能，它可以动态的添加对象的功能，并且可以随意的组合这些功能
缺点
- 正因为可以随意组合，所以就可能出现一些不合理的逻辑

在IO流中的装饰模式应用

BufferedReader br = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
        BufferedWriter bw = new BufferedWriter((new OutputStreamWriter(System.out)));

好了，我们设计模式就将这么多了，最后呢，我上传一本书《java与模式》有兴趣的你可以下载看看

欢迎有兴趣的同学加我朋友的QQ群：点击直接加群555974449 请备注：java基础再回首我们一起来玩吧。

    原文作者：算法小白
    原文地址: https://juejin.im/entry/5917d38dda2f60005de8def4
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