设计模式

一、概述

（一）、基本概念

底层思维(向下)
- 语言构造
- 编译转换
- 内存模型
- 运行时机制
抽象思维(向上)
- 面向对象
- 组件封装
- 设计模式(依赖封装，继承，多态)
- 架构模式
设计模式的使用依赖于某个稳定点。在设计中，要关注变化点和稳定点
目标：管理变化，提高复用
手段
- 分解：先看个性
- 抽象：再找共性
重构技法
- 静态 => 动态(类 => 接口)
- 早绑定 => 晚绑定(虚函数)
- 继承 => 组合
- 编译时依赖 => 运行时依赖
- 紧耦合 => 松耦合

常用对象模式

class A{
    B* pb;  //松耦合，具有灵活性
    //...
};

不用设计模式的情况
- 代码可读性很差
- 需求理解很浅（避免花大功夫，做低效率的事）
- 变化没有显现时
- 不是系统的关键已来点
- 项目没有复用价值时
- 项目将要发布时
经验
- 要有Framework和Application的区隔思维
  - 作为Application的开发人员，要认清Framework的扩展点
  - 作为Framework的开发人员，要设计Framework的接口
- 良好的设计师演化的结果

（二）、面向对象设计原则（八）

最高层次：忘掉模式，只有原则

依赖导致原则(DIP)

高层模块（稳定）不应该底层模块（变化），二应该依赖于抽象（稳定）
- 改进前：
  - People直接抚摸cat
  - cat发出miao回应
- 改进后：
  - people抚摸宠物抽象类
  - cat继承抽象类中的回应虚函数发出回应
  - 即people和cat之间没有直接关系
抽象（稳定）不应该依赖于实现细节（变化），细节应该依赖于抽象（稳定）
举例:由Tomcat框架调用应用，而不是反过来应用调用框架(这在面向对象的设计中是极为常见的)

开放封闭原则（OCP）

对扩展开放，对修改封闭

单一职责原则（SRP）

一个类只负责一件事
一个类只有一个引起它变化的原因

Liskov替换原则（LSP）

子类必须能够替换他们的基类（IS-A）

接口隔离原则（ISP）

不应该强迫客户程序依赖它们不用的方法
接口应该小而完备

对象组合优于类继承

继承耦合度高，组合耦合度低

封装变化点

封装的作用是是一侧稳定，一侧变化

面向接口编程

客户程序无需获知对象的具体类型，只需要知道对象所具有的接口

（三）、将设计原则提升为设计经验

设计习语：和低层语言相关
设计模式：代码复用
架构模式：子系统划分等

（四）、重构

敏捷软件开发：Refactoring to Patterns (迭代的方法)

常见的重构技法
- 静态 => 动态
- 早绑定 => 晚绑定(虚函数)
- 继承 => 组合
- 编译时依赖 => 运行时依赖
- 紧耦合 => 松耦合

（五）、常见分类

创建型：描述“怎样创建对象”
结构型：描述如何将类或对象按某种布局组成更大的结构
行为型：描述类或对象之间怎样相互协作共同玩=完成某个对象都无法单独完成的任务

二、设计模式

（一）、组件协作模式

框架-组件

模板方法(Template Method)

背景
- 在一段内置代码
- 有一部分是变化的
- 有一部分是不变化的

code

修改前

main,cpp

#include <iostream>

int main() {
    //step1(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
    //step2(...);    变化,可以看做是一代代码而非函数
    //step3(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
    //step4(...);    变化,可以看做是一代代码而非函数
    //step5(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
    return 0;
}

修改后

main.cpp

#include <iostream>

class BaseEvent{
public:
    void run(){  //关键
        //step1(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
        step2();  //变化
        //step3(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
        step4();  //变化
        //step5(...);  不变,可以看做是一代代码而非函数
    }
    
    ~BaseEvent(){}

protected:  //由于step2,step4仅供函数内部调用，故可以写作protected
    virtual void step2()=0;
    virtual void step4()=0;
};

class Event:public BaseEvent{
    virtual void setp2(){
        
    }
    
    virtual void step4(){
        
    }
};

int main() {
    BaseEvent *e = new Event();
    e->run();
    return 0;
}

类图
定义：定义一个基类对象，通过run函数执行代码。对于代码中变化的部分，写作虚函数的调用。子类继承基类，实现对应的变化部分的虚函数，通常由上层调用run方法
注:
- 在面向过程的语言中，通常由我们来调用lab中的函数；而在面向对象的思维中，通常会使用的一些框架(FrameWork),通常这个时候就变成了框架调用我们缩写的函数
- 该模式在框架中使用较多

典型应用：Java的HttpServlet中service方法调用doGet,doPost等方法，多线程中的run()方法

protected void service(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws ServletException, IOException {
        String method = req.getMethod();
        long lastModified;
        if (method.equals("GET")) {
            lastModified = this.getLastModified(req);
            if (lastModified == -1L) {
                this.doGet(req, resp);
            } else {
                long ifModifiedSince;
                try {
                    ifModifiedSince = req.getDateHeader("If-Modified-Since");
                } catch (IllegalArgumentException var9) {
                    ifModifiedSince = -1L;
                }

                if (ifModifiedSince < lastModified / 1000L * 1000L) {
                    this.maybeSetLastModified(resp, lastModified);
                    this.doGet(req, resp);
                } else {
                    resp.setStatus(304);
                }
            }
        } else if (method.equals("HEAD")) {
            lastModified = this.getLastModified(req);
            this.maybeSetLastModified(resp, lastModified);
            this.doHead(req, resp);
        } else if (method.equals("POST")) {
            this.doPost(req, resp);
        } else if (method.equals("PUT")) {
            this.doPut(req, resp);
        } else if (method.equals("DELETE")) {
            this.doDelete(req, resp);
        } else if (method.equals("OPTIONS")) {
            this.doOptions(req, resp);
        } else if (method.equals("TRACE")) {
            this.doTrace(req, resp);
        } else {
            String errMsg = lStrings.getString("http.method_not_implemented");
            Object[] errArgs = new Object[]{method};
            errMsg = MessageFormat.format(errMsg, errArgs);
            resp.sendError(501, errMsg);
        }

    }

策略模式(Strategy Method)

背景
- 我们有许多宠物
- 每个宠物发出不同的叫声

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

enum Pet{
    dog,cat
}pet;

int main() {
    int petName;
    if(petName == dog){
        cout << "wang wang" <<endl;
    }else if(petName == cat){
        cout << "miao miao" << endl;
    }
    return 0;
}

为了体现设计模式的优越性，显然我们应该以动态的视角去考察，假设我们现在要增加一个动物chicken

main.cpp

#include <iostream>

using namespace std;

enum Pet{
    dog,cat,
    chicken  //修改
}pet;

int main() {
    int petName;
    if(petName == dog){
        cout << "wang wang" <<endl;
    }else if(petName == cat){
        cout << "miao miao" << endl;
    }else if(petName == chicken){  //修改
        cout << "ge ge" << endl;
    }
    return 0;
}

显然这不算是一段好的代码，因为它违反了开闭原则

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include "Person.h"

using namespace std;

int main() {
    PetFactory *petFactory = new ChickenFactory();
    Person p(petFactory);
    p.touchAnimal();
    return 0;
}

Person.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PERSON_H
#define DESIGNMODE_PERSON_H

#include "PetFactory.h"

class Person {
public:
    PetFactory *petFactory;
    Person(PetFactory * petFactory){
        this->petFactory = petFactory;
    }

    void touchAnimal(){
        Pro *pet = petFactory->buildPro();
        pet->howl();
    }
    
    ~Person(){}
};


#endif //DESIGNMODE_PERSON_H

PetFactory.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PETFACTORY_H
#define DESIGNMODE_PETFACTORY_H

#include "Pro.h"

class PetFactory {
public:
    virtual Pro* buildPro()=0;
    ~PetFactory(){}
};

class DogFactory:public PetFactory{
public:
    Pro* buildPro() override{
        return new DogPro();
    }
};

class CatFactory:public PetFactory{
public:
    Pro* buildPro() override{
        return new CatPro();
    }
};

class ChickenFactory:public PetFactory{  //增加了一个新的工厂
public:
    Pro* buildPro() override{
        return new ChickenPro();
    }
};


#endif //DESIGNMODE_PETFACTORY_H

Pro.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PRO_H
#define DESIGNMODE_PRO_H

#include <string>
#include <iostream>

using namespace std;

class Pro {
protected:
    string name;
public:
    virtual void howl()=0;
};

class CatPro:public Pro{
public:
    void howl() override{
        cout << "miao miao miao" << endl;
    }
};

class DogPro:public Pro{
public:
    void howl() override{
        cout << "wang wang wang" << endl;
    }
};

class ChickenPro:public Pro{  //增加了一个新的类
public:
    void howl() override{
        cout << "ge ge ge" << endl;
    }
};


#endif //DESIGNMODE_PRO_H

注:
- 可以看到当出现新的宠物，需要增加两个类而不是修改
- 注意与工厂模式的区别:
  - 策略模式强调子类之间平行的替换
  - 工厂模式强调调用的无惯性

定义:定义一系列算法，把它们一个个封装起来，使它们可以相互替换。具体方法为子类化和扩展
类图
注:
- 搭配工厂模式使用
- 通常用于对if-else语句的优化
- 当if-else是不稳定的，可以使用策略模式(如拥有的宠物)；当if-else是稳定的，不能使用策略模式(如一星期有七天)
- 性能影响:
  - 若使用if-else，编译后必然是整块代码
  - 若使用策略模式，链接器只链接所用到的相关类的部分代码
应用：Java的SPI机制

观察者模式(Observer)

背景
- 水果店降价
- wechat平台观察到水果店降价而发出通知(现实中当然存在水果店通知微信的关系，但我们这里仅以此为例)

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Wechat{
public:
    void NotifyAccount(int num){
        cout << "Now we have " << num << " account" << endl;
    }
};

class Shop{
public:
    int price;
    Wechat *we;
    Shop(Wechat *we):we(we){};
    void decreasePrice(int num){
        price-=num;
        we->NotifyAccount(num);
    }
};

int main() {
    Wechat *we = new Wechat();
    Shop s(we);
    we->NotifyAccount(10);
    return 0;
}

注:显然我们这里对vip做的是一个通知。可以看到这里违背了依赖倒置的关系，一方面微信的通知是依赖于价格的变化的，另一方面却是由商店主动通知微信

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Platform{  //用于解耦的Observer
public:
    virtual void NotifyAccount(int num)=0;
};

class Wechat: public Platform{
public:
    virtual void NotifyAccount(int num){
        cout << "Wechat:Now we have " << num << " account" << endl;
    }
};

class Alipay: public Platform{
public:
    virtual void NotifyAccount(int num){
        cout << "Alipay:Now we have " << num << " account" << endl;
    }
};

class Shop{
public:
    int price;
    vector<Platform *> platforms;  //通过vector以支持多个通知对象
    void decreasePrice(int num){
        price-=num;
        vector<Platform *>::iterator it=platforms.begin();
        while(it!=platforms.end()){
            (*it)->NotifyAccount(num);
            it++;
        }
    }
};

int main() {
    Platform *we = new Wechat();
    Platform *allipay = new Alipay();
    Shop shop;
    shop.platforms.push_back(we);
    shop.platforms.push_back(allipay);
    shop.decreasePrice(10);
    return 0;
}

注：同时支持了多平台

类图
定义：对象之间的一对多关系，当某一事物状态发生改变时，所有依赖于它的对象都能得到通知(通过Observer对象)并自动更新
注：
- Observer模式是基于事件的UI框架中非常常用的设计模式，也就是MVC模式的一个重要组成部分
- 实际上这里Object也可以分为抽象的Object(包含notify，以及对vector的操作)和Concrete Object,因为就代码中而言这个水果店开业一般化为商店。但就结果而言，在观察者模式下商店与特定的平台已经无关了

（二）、单一职责

划清责任，避免子类膨胀

装饰者模式与桥模式的区别：

装饰者模式：装饰部分可以组合

桥模式：装饰部分不组合

装饰模式(Decorate Mode)

背景
- 吹水果
- 有三种水果，苹果，香蕉，葡萄
- 有三种不同的吃法，直接吃，洗完吃，削皮吃

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Fruit{
    virtual void eatFruit()=0;
    virtual ~Fruit();
};

class Apple:public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Apple : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~Apple();
}

class Banana: public Fruit{
     virtual void eatFruit(){
        cout << "Banana : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~Banana();
};

class Grape: public Fruit{
     virtual void eatFruit(){
        cout << "Grape : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~Grape();
};

class WashApple: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "wash" << endl;
        cout << "Apple : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~WashApple();
};

class WashBanana: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "wash" << endl;
        cout << "Banana : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~WashBanana();
};

class WashGrape: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "wash" << endl;
        cout << "Grape : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~WashGrape();
};

class PeelApple: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Peel" << endl;
        cout << "Apple : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~PeelApple();
};

class PeelBanana: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Peel" << endl;
        cout << "Banana : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~PeelBanana();
};

class PeelGrape: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Peel" << endl;
        cout << "Grape : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~PeelGrape();
};

class WashAndPeelApple{
    //...
}

class WashAndPeelBanana{
    //...
}

class WashAndPeelGrape{
    //...
}

存在问题:当有n个子类，m种修饰(在本例中为洗和剥，实际上它们是可以相互组合的)的情况下，我们对于同一个动作吃可以派生出$$1+n+n\frac{(m+1)m}{2}$$(在李建忠视频中给出的是$$1+n+n*m!/2$$)种类,这是非常恐怖。观察代码，我们可以发现:
- wash和peel实际上都是对eat的附加操作，借此我们可以进行优化
- 先wash，后peel
同时将几种修饰结合，违背了单一职责原则

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Fruit{
    virtual void eatFruit()=0;
    virtual ~Fruit();
};

class Apple: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Apple : Eat directly!" << endl;
    }
    virtual ~Apple();
};

class Banana: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Banana : Peel to eat!" << endl;
    }
    virtual ~Banana();
};

class Grape: public Fruit{
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Eat : Peel to eat!" << endl;
    }
    virtual ~Grape();
};

class DecorateGrape:public Fruit{  //修饰类
    Fruit *fruit;
    DecorateGrape(Fruit *f):fruit(f){}
    virtual void eatFruit(){}=0;
    virtual ~DecorateGrape();
};

class WashFruit:public DecorateGrape{  //修饰类
    WashFruit(Fruit *f):fruit(f){}
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Wash" << endl;
        fruit->eatFruit();
    }
    virtual ~WashFruit();
};

class PeelBanana:public DecorateGrape{  //修饰类
    PeelBanana(Fruit *f):fruit(f){}
    virtual void eatFruit(){
        cout << "Peel" << endl;
        fruit->eatFruit();
    }
    virtual ~PeelBanana();
};

int main(){
    Fruut a = new Apple();
    Fruit pa = new PeelFruit(a);
    Fruit wa = new WashFruit(pa);
    pa.eat();  //自下而上:wash => peel => eat,简直妙极了
    return 0;
}

评价
- 通过继承规范了接口
- 通过组合实现了接口
- 通过修饰与修饰间的先后关系可以方便地进行组合
- 通过修饰模式所构建的类个数为$$1+n+1+m$$

类图
定义：动态(通过组合方式)地给一个对象增加一些额外的职责，这些职责可以方便地组合在一起
注:
- 注意对于修饰的理解。在本例中，苹果，香蕉的吃是对于水果的吃的扩充，但洗和剥确实另一个方向的(或者说是修饰)
- 继承(重写接口)+组合
- Decorator类在接口上表现为继承关系(用于完善接口规范)，在实现上表现为组合关系(用来支持实现)

桥模式(Bridge Method)

背景(还有一个更简单的背景理解，就是一杯咖啡，存在两个大小和添加的小料——糖等——两个维度，以大小作为主维度去思考)
- 在平台上购物
- 平台:水果，零食，衣服
- 会员与非会员

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Buyer{
public:
    virtual void order()=0;
};

class ClothesBuyer: public Buyer{
public:
    virtual void order(){
        cout << "order" << endl;
        cout << "buy clothes" << endl;
    }
};

class FruitBuyer: public Buyer{
public:
    virtual void order(){
        cout << "order" << endl;
        cout << "buy Fruit" << endl;
    }
};

class FoodBuyer: public Buyer{
public:
    virtual void order(){
        cout << "order" << endl;
        cout << "buy Food" << endl;
    }
};

class ClothesBuyerLite: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "lite account" << endl;
        cout << "buy clothes" << endl;
    }
};

class ClothesBuyerPerfect: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "perfect account" << endl;
        cout << "buy clothes" << endl;
    }
};

class FruitBuyerLite: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "lite account" << endl;
        cout << "buy Fruit" << endl;
    }
};

class FruitBuyerPerfect: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "perfect account" << endl;
        cout << "buy Fruit" << endl;
    }
};

class FoodBuyerLite: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "lite account" << endl;
        cout << "buy Food" << endl;
    }
};

class FoodBuyerPerfect: public Buyer{  //不同平台的会员与非会员的业务
public:
    virtual void order(){
        cout << "perfect account" << endl;
        cout << "buy Food" << endl;
    }
};

int main() {
    FoodBuyerLite foodBuyerLite;
    foodBuyerLite.order();
    return 0;
}

存在问题:
- 在order中我们可以发现，存在两个不同的维度，即是否为会员，具体的平台。该做法违反了单一职责原则
- 将维度展开，n个平台，m个修饰(这里的修饰是不能进行组合的)，需要的类个数为$$1+n+n*m$$
- 修改目标：减少组合

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class BuyerImpl{
public:
    virtual void buy()=0;
};

//平台实现(与Buyer无关,只包含了紧密相关的业务)
class ClothesBuyer: public BuyerImpl{
public:

    virtual void buy(){
        cout << "buy clothes" << endl;
    }
};

class FruitBuyer: public BuyerImpl{
public:

    virtual void buy(){
        cout << "buy fruit" << endl;
    }
};

class FoodBuyer: public BuyerImpl{
public:
    virtual void buy(){
        cout << "buy food" << endl;
    }
};

class Buyer{
protected:
    BuyerImpl *buyer;  //由于各修饰类中均包含了BuyerImpl，我们可以将其网上提
public:
    Buyer(BuyerImpl *buyer):buyer(buyer){}
    virtual void order()=0;
};

class BuyerLite: public Buyer{  //无关平台的非会员的业务
public:
    BuyerLite(BuyerImpl *buyerImpl):Buyer(buyerImpl){}

    virtual void order(){
        cout << "lite account" << endl;
        buyer->buy();
    }
};

class BuyerPerfect: public Buyer{ //无关平台的会员业务
public:
    BuyerPerfect(BuyerImpl *buyerImpl): Buyer(buyerImpl){}

    virtual void order(){
        cout << "perfect account" << endl;
        buyer->buy();
    }
};

int main() {
    ClothesBuyer *clothesBuyer = new ClothesBuyer();
    BuyerLite *buyerLite = new BuyerLite(clothesBuyer);
    buyerLite->order();
    return 0;
}

这里我们将会员与非会员作为主维度，然后将具体的平台以组合的方式嵌入

类图

注:
- Abstraction和Implementor分别代表了两个维度的变化，其中Abstraction代表了主维度
- 注意中间的连线是桥
定义:将业务部分(抽象部分)与平台实现(实现部分)分离，使它们可以独立地变化
注:
- 平台实现与业务抽象分开
- 业务实现通过继承实现
- 平台抽象通过组合实现
- 如果有多个维度的变化，都可以作为impl组合

（三）、对象创建

工厂模式(Factor Method)

背景:
- 人要抚摸小动物,小动物产生不同声音反馈
- 目前只摸猫和狗，后续可能添加其它动物

code

main.cpp

#include <iostream>
#include "person.h"

int main() {
    PetFactory *petFactory = new DogFactory();
    Person p(petFactory);
    p.touchAnimal();
    return 0;
}

Person.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PERSON_H
#define DESIGNMODE_PERSON_H

#include "PetFactory.h"

class Person {
public:
    PetFactory *petFactory;  //每个person有一个唯一的pet
    Person(PetFactory * petFactory){
        this->petFactory = petFactory;
    }

    void touchAnimal(){
        Pro *pet = petFactory->buildPro();
        pet->howl();
    }
};

#endif //DESIGNMODE_PERSON_H

PetFactory.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PETFACTORY_H
#define DESIGNMODE_PETFACTORY_H

#include "Pro.h"

class PetFactory {
public:
    virtual Pro* buildPro()=0;
};

class DogFactory:public PetFactory{
public:
    Pro* buildPro() override{
        return new DogPro();
    }
};

class CatFactory:public PetFactory{
public:
    Pro* buildPro() override{
        return new CatPro();
    }
};

#endif //DESIGNMODE_PETFACTORY_H

Pro.h

//
// Created by Arno_vc on 2022/3/15.
//

#ifndef DESIGNMODE_PRO_H
#define DESIGNMODE_PRO_H

#include <string>
#include <iostream>

using namespace std;

class Pro {
protected:
    string name;
public:
    virtual void howl()=0;
};

class CatPro:public Pro{
public:
    void howl() override{
        cout << "miao miao miao" << endl;
    }
};

class DogPro:public Pro{
public:
    void howl() override{
        cout << "wang wang wang" << endl;
    }
};

#endif //DESIGNMODE_PRO_H

注：这里有一个前提的条件，那就是Pro的子类应该在Person中实例化，否则我们只需在Person中留下一个Pro *p;的指针即可，根本不需要工厂模式。更好的说法是如果对象的实例化分散在各种逻辑代码之间，那么就会非常零乱、难以维护，bug自然也多。

类图

注:可以看到Person只和抽象类部分有关
定义:特点:绕开new,通过一个方法返回对象，定义一个用于创建对象的接口(基础工厂),让子类(分类工厂)决定实例化哪个类

抽象工厂(Abstract Factor)

背景
- 我们有不同的宠物对象，如猫，狗等
- 对于每个宠物有三个相关的对象，即宠物商店(假设每种宠物对应不同的宠物商店)，宠物，宠物窝

code

对于变化的三个部分，尝试用工厂模式创建

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

//动物相关基类
class Pet{

};

class PetShop{
protected:
    vector<Pet *> petV;
public:
    virtual void addPet(Pet *)=0;
};

class PetHouse{

};
//工厂相关基类
class PetFactory{
public:
    virtual Pet* build()=0;
};

class PetHouseFactory{
public:
    virtual PetHouse* build()=0;
};

class PetShopFactory{
public:
    virtual PetShop* build()=0;
};

class Dog: public Pet{

};

class DogFactory:public PetFactory{
public:
    Dog* build(){
        return new Dog();
    }
};

class DogShop:public PetShop{

    virtual void addPet(Pet* pet){
        cout << "add a dog" << endl;
        petV.push_back(pet);
    }
};

class DogShopFactory:public PetShopFactory{
    DogShop* build(){
        return new DogShop();
    }
};

class DogHouse:public PetHouse{

};

class DogHouseFactory:public PetHouseFactory{
    DogHouse* build(){
        return new DogHouse();
    }
};

int main() {
    PetShopFactory *petShopFactory = new DogShopFactory();
    PetFactory *petFactory = new DogFactory();
    PetHouseFactory *petHouseFactory = new DogHouseFactory();
    //通常来说Factory为根据外部需求传入的参数，这里为演示方便创建
    PetShop *petShop = petShopFactory->build();
    Pet *pet = petFactory->build();
    petShop->addPet(pet);
    PetHouse *petHouse = petHouseFactory->build();
    return 0;
}

存在问题:需要传入的三个参数:PetShop,Pet,PetHouse应该是有关联的，当前的模式下无法体现三者的关联性

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

//动物相关基类
class Pet{

};

class PetShop{
protected:
    vector<Pet *> petV;
public:
    virtual void addPet(Pet *)=0;
};

class PetHouse{

};

class DogShop:public PetShop{

    virtual void addPet(Pet* pet){
        cout << "add a dog" << endl;
        petV.push_back(pet);
    }
};

class Dog: public Pet{

};

class DogHouse:public PetHouse{

};

//工厂相关基类
class PetFactory{
public:
    virtual PetShop* petShopBuild()=0;
    virtual Pet* petBuild()=0;
    virtual PetHouse* petHouseBuild()=0;
};

class DogFactory:public PetFactory{
public:
    virtual PetShop* petShopBuild(){
        return new DogShop();
    }
    virtual Pet* petBuild(){
        return new Dog();
    }
    virtual PetHouse* petHouseBuild(){
        return new DogHouse();
    }
};

int main() {
    PetFactory *petFactory = new DogFactory();
    //通常来说Factory为根据外部需求传入的参数，这里为演示方便创建
    PetShop *petShop = petFactory->petShopBuild();
    Pet *pet = petFactory->petBuild();
    petShop->addPet(pet);
    PetHouse *petHouse = petFactory->petHouseBuild();
    return 0;
}

在一个抽象工厂中可以生产三个相关联的产品

类图
定义：将工厂抽象化，负责一系列相关对象的生产(即内部包含关联的子工厂)
注:
- 用于"一系列相互依赖的对象"的创建工作
- 工厂之间存在联系(实际上只是根据需求做了一些细微的变化罢了)
- 常见应用于对不同数据库的操作(因为一个数据库操作中包含了多个相关联的数据库对象)

原型模式(Prototype Method)

背景
- 我们现在有5个苹果
- 现在3个苹果要拿出来清洗, 削皮，切片，然后吃了

code

构建5个苹果，将其中3个的清洗标志位置1

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;

class Fruit{
public:
    virtual void eat()=0;
};

class Apple{
public:
    int washed;
    int peel;
    int cut;

    Apple(){
        washed=0;
        peel=0;
        cut=0;
    }

    void eat(){
        cout << "eat apple" << endl;
    }
};

int main() {
    Apple a[5];
    a[1].washed=1;
    a[2].washed=1;
    a[3].washed=1;

    a[1].peel=1;
    a[2].peel=1;
    a[3].peel=1;

    a[1].cut=1;
    a[2].cut=1;
    a[3].cut=1;

    a[1].eat();
    a[2].eat();
    a[3].eat();
    return 0;
}

存在问题
- 在参数较多的情况小看起来很臃肿
- 看起来不是很聪明的样子

使用原型对象创建三个已经清洗了的苹果

main.cpp

#include <iostream>
#include <vector>

using namespace std;



class Fruit{
public:
    virtual Fruit* clone()=0;
    virtual void eat()=0;
};

class Apple: public Fruit{
public:
    int washed;
    int peel;
    int cut;
    Apple(){
        washed=0;
        peel=0;
        cut=0;
    }

    virtual Fruit* clone(){
        return new Apple(*this);  //胜读拷贝，应该记住这个形式
    }

    virtual void eat(){
        cout << "eat apple" << endl;
    }

};

int main() {
    Apple *prototype = new Apple();  //这个原型不是拿来用的，仅仅是拿来拷贝的
    prototype->washed=1;
    prototype->peel=1;
    prototype->cut=1;

    Fruit *a1 = prototype->clone();
    Fruit *a2 = prototype->clone();
    Fruit *a3 = prototype->clone();

    a1->eat();
    a2->eat();
    a3->eat();
    return 0;
}

注
- 原型对象是拿来创建对象的不是拿来使用的
- 原型对象可以修改

类图
定义：使用原型对象实例指定创建对象的种类，通过深度拷贝创建新的对象
注:
- 要求"原型"拥有稳定的接口
- 面对"某些结构复杂的对象"的创建工作
- 拷贝构造：在c++中主要通过深度拷贝实现，在Java中可以通过序列化来实现
- js的继承就是采用了近乎原型对象的模式

构建器模式(Builder Method)（不常用）

背景
- 我们要构造三个水果：苹果，梨，葡萄
- 它们都有外皮，果肉，核三个部分
- 它们的外皮，果肉，核三个部分不完全相同

code

尝试用构造函数实现一般化的构造

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Peel{
public:
    string name;
};

class Flesh{
public:
    string name;
};

class Core{
public:
    string name;
};

class Fruit{
protected:
    virtual void buildPeel()=0;  //子类根据需要覆盖：如苹果，构建苹果皮
    virtual void buildFlesh()=0;
    virtual void buildCore()=0;
public:
    Peel *peel;
    Flesh *flesh;
    Core *core;
    void Fruit(){  //构建失败，因为再构造函数中无法调用虚函数。原因，在初始化时，父类先于子类初始化，故父类无法调用子类覆盖的虚函数
        buildPeel();
        buildCore();
        buildFlesh();
    }
};

class ApplePeel:public Peel{

};

class AppleFlesh:public Flesh{

};

class AppleCore:public Core{

};

class Apple:public Fruit{
protected:
    virtual void buildPeel(){
            peel = new ApplePeel();
    }
    virtual void buildFlesh(){
        flesh = new AppleFlesh();
    }
    virtual void buildCore(){
        core = new AppleCore();
    }
};

int main() {
    Apple *apple = new Apple();
    apple->build();
    cout << apple->peel->name << endl;
    cout << apple->flesh->name << endl;
    cout << apple->core->name << endl;
    return 0;
}

错误原因:
- 目标：在父类中实现一般化的构造过程
- 构建失败，因为再构造函数中无法调用虚函数。原因，在初始化时，父类先于子类初始化，故父类无法调用子类覆盖的虚函数

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Peel{
public:
    string name;
};

class Flesh{
public:
    string name;
};

class Core{
public:
    string name;
};

class Fruit{
public:
    virtual void buildPeel()=0;  //子类根据需要覆盖：如苹果，构建苹果皮
    virtual void buildFlesh()=0;
    virtual void buildCore()=0;
public:
    Peel *peel;
    Flesh *flesh;
    Core *core;
};

class FruitBuilder{
    Fruit *fruit;
public:
    FruitBuilder(Fruit *fruit):fruit(fruit){}
    void build(){  //构建失败，因为再构造函数中无法调用虚函数。原因，在初始化时，父类先于子类初始化，故父类无法调用子类覆盖的虚函数
        fruit->buildPeel();
        fruit->buildCore();
        fruit->buildFlesh();
    }
};

class ApplePeel:public Peel{

};

class AppleFlesh:public Flesh{

};

class AppleCore:public Core{

};

class Apple:public Fruit{
protected:
    virtual void buildPeel(){
            peel = new ApplePeel();
    }
    virtual void buildFlesh(){
        flesh = new AppleFlesh();
    }
    virtual void buildCore(){
        core = new AppleCore();
    }
};

int main() {
    Apple *apple = new Apple();
    FruitBuilder *fruitBuilder = new FruitBuilder(apple);
    cout << apple->peel->name << endl;
    cout << apple->flesh->name << endl;
    cout << apple->core->name << endl;
    return 0;
}

注：
- 可以看到，对于每种水果构建的基础单元相同(Peel,Flesh,Core),故以此为动静分离点
- 通过普通的build函数代替构造函数实现了构造函数
- 使用组合的方法，将build部分作为单独的功能与Fruit中的内容分离
- 与Template模式的区别：前者用于代码执行，后者用于类的构建

类图

注：
- Builder：对应Fruit
- ConcreteBuilder：对应Apple
- Director：对应FruitBuilder
定义：将对象的构建和表示相分离，使得同样的构建过程(稳定)可以创建不同的表示(变化)
、注:
- 用于分步骤构建一个复杂的对象
- 通常有一部分稳定，有一部分变化，类似Template模式。但是，Template模式主要用于一系列相似行为（更具有普遍性），Builder模式主要用于构造
- 当类复杂的时候，可以将内容和构造分离；当类简单的时候，可以将内容和构造合并
- 需要注意语言的区别

（四）、"对象性能"模式

处理面向对象带来的成本问题

单例模式（Singleton）

背景：有一个西瓜的时候，大家共享；没有切开或者吃完了，就再打开一个西瓜

code

线程不安全版本（单线程版本）

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Watermelon{
private:
    Watermelon(){};
    Watermelon(const Watermelon &watermelon){};
public:
    static Watermelon *instance;
    static Watermelon *getInstance();  //静态成员函数只能调用静态成员变量
};

//单线程版本
Watermelon *Watermelon::getInstance() {
    if(instance==NULL){
        instance = new Watermelon();
    }
    return instance;
}

Watermelon *Watermelon::instance = NULL;  //静态成员变量需要在类外显示地初始化

int main() {
    Watermelon *watermelon = Watermelon::getInstance();  //::用于限定范围
    return 0;
}

注:注意类中静态成员变量的使用

线程安全版本（高代价）

main.cpp

#include <iostream>
#include <mutex>

using namespace std;

class Watermelon{
private:
    Watermelon(){};
    Watermelon(const Watermelon &watermelon){};
public:
    static Watermelon *instance;
    static Watermelon *getInstance();  //静态成员函数只能调用静态成员变量
};

//加锁版本
Watermelon *Watermelon::getInstance() {
    Lock lock;
    if(instance==NULL){
        instance = new Watermelon();
    }
    return instance;
}

Watermelon *Watermelon::instance = NULL;  //静态成员变量需要在类外显示地初始化

int main() {
    Watermelon *watermelon = Watermelon::getInstance();  //::用于限定范围
    return 0;
}

注：
- lock是一个一般化的锁，而不应该仅仅把它当做c++中的锁。该锁会在函数运行完成后释放
- 无论是否需要创建新对象，代价较高。更好地方案是当确定需要创建新对象时上锁

线程安全版本（双检查锁，内存读写reorder不安全）

main.cpp

#include <iostream>
#include <mutex>

using namespace std;

class Watermelon{
private:
    Watermelon(){};
    Watermelon(const Watermelon &watermelon){};
public:
    static Watermelon *instance;
    static Watermelon *getInstance();  //静态成员函数只能调用静态成员变量
};

//加锁版本
Watermelon *Watermelon::getInstance() {
    if(instance==NULL){
        Lock lock;
        if(instance==NULL){
            instance = new Watermelon();
        }
    }
    return instance;
}

Watermelon *Watermelon::instance = NULL;  //静态成员变量需要在类外显示地初始化

int main() {
    Watermelon *watermelon = Watermelon::getInstance();  //::用于限定范围
    return 0;
}

注:
- 为什么内部还要做一次判断：若不做判断，A线程刚拿到锁，B进来判断instance没有初始化，进来等待锁，那么instance对象就会被创建两次
- 内存reorder读写不安全问题
  - 编译器在编译时会对源代码进行优化
  - 在本例中，new对象应该做的三个步骤：
    - 申请内存空间
    - 对空间初始化
    - 返回头指针
- 经过reorder优化后的步骤
  - 申请内存空间
  - 返回头指针
  - 对空间初始化
- 导致的问题：在空间没有初始化的情况下，先返回了头指针，导致该指针被错误地使用

编译器本身优化

Java,C#:volatile关键字，告诉编译器不需要优化

c++ 11版本之后:通过atomic库

std::atomic<Siingleton> Singleton::m_instance;
std::mutex Singleton::m_mutex;

Singleton* Singleton::getInstance(){
    Singleton* tmp = m_instance.load(std::memory_order+relaxed); //load
    std::atomic_thread_fence(std::memory_order_acquire);  //获取内存fence
    if(tmp == nullptr){
        std::lock_guard<std::mutex> lock(m_mutex);
        tmp = m_instance.load(std::memory_order_relaxed);
        if(tmp == nullptr){
            tmp = new Singleton;
            std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release);  //释放内存fence
            m_instance.store(tmp,std::memory_order_relaxed);  //store
        }
    }
    return tmp;
}

类图：
定义：保证一个类仅有一个实例，并提供一个该实例的全局访问点
注：
- 一个类只有一个实例。是类的设计者的责任，而不是使用者的责任。
- 绕过构造器，实现性能优化。（在之前也有绕过构造器，但是是为了解决紧耦合问题）
- 需要考虑线程安全
- 屏蔽构造构造函数和拷贝构造函数（将其私有化）

享元模式（Flyweight）

背景
- 有许多水果
- 我们要记录水果的类别
- 显然水果的类别与水果的关系是一对多的

code

使用享元实现

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class Fruit{
public:
    string key;  //以水果类别作为标识
    Fruit(string key):key(key){}
};

class FruitFactory{
    map<string,Fruit*> mp;
public:
    Fruit *getFruit(const string key){
        map<string,Fruit*>::iterator item = mp.find(key);  //注意这里用迭代器做判断更具有一般性
        if(item!=mp.end()){
            return item->second;
        }else{
            Fruit *value = new Fruit(key);
            mp[key] = value;
            return value;
        }

    }
};

int main() {
    FruitFactory fruitFactory;
    Fruit *apple = fruitFactory.getFruit("apple");
    cout << apple->key << endl;
    apple = fruitFactory.getFruit("apple");
    cout << apple->key << endl;
    return 0;
}

类图
定义：运动共享技术有效地支持大量细粒度的对象
注:
- 集合了工厂模式与单例模式：判断工厂中是否有key（而不是单例模式中判断引用），有则给，没有则创建
- 一般用于只读
- 常用于上万的数据量

（五）、接口隔离模式

接口直接依赖存在问题，采用一层间接（稳定）接口

门面模式（Facade Method）

背景：
- 到商店去吃水果捞
- 我不关心水果l捞是如何制作的
- 因为到我面前的始终是一盆水果捞（接口）
Code：无特定的代码结构，重点是作为一种设计思想去理解
类图：无
定义：为子系统中的一组接口提供一个一致（稳定）的高层接口，使得子系统更加容易使用
注：松耦合，高内聚

代理模式（Proxy Method）

背景
- 吃水果捞：自己买水果，商店帮忙做水果捞
- 我们可以做一些附加的额外操作：做成水果捞前自己挑水果，做成水果捞后可以自己加点奶昔

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class doFruityMixInf{
    virtual void doFruityMix()=0;
};

class FruityMix{  //这一部分内容对用户来说是屏蔽的
public:
    void doFruityMix(){
        cout << "do fruitymix" << endl;
    }
};

int main() {
    cout << "buy fruit" << endl;
    FruityMix *fruityMix = new FruityMix();
    fruityMix->doFruityMix();
    cout << "add mike shake" << endl;
    return 0;
}

注：
- 我们无法直接在业务代码添加附加的操作
- 然而，实际上买水果和添加奶昔都是做水果捞时间的一部分，三者应该放在同一个代码块中以满足高内聚，低耦合的要求

修改后(静态代理)

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class FruityMixInf{
public:
    virtual void doFruityMix()=0;
};

class FruityMix:public FruityMixInf{  //这一部分内容对用户来说是屏蔽的
public:
    virtual void doFruityMix(){
        cout << "do fruitymix" << endl;
    }
};

class FruityMixProxy:public FruityMixInf{  //与readObject继承同一个接口
protected:
    FruityMixInf *fruityMixInf;
public:
    FruityMixProxy(FruityMixInf *fruityMixInf):fruityMixInf(fruityMixInf){};

    virtual void doFruityMix(){
        cout << "buy fruit" << endl;
        fruityMixInf->doFruityMix();
        cout << "add mike shake" << endl;
    }
};

int main() {
    FruityMixInf *fruityMixInf = new FruityMix();
    FruityMixProxy *fruityMixProxy = new FruityMixProxy(fruityMixInf);
    fruityMixProxy->doFruityMix();
    return 0;
}

注：
- 原对象和代理对象都继承了相同接口
- 代理对象调用原对象，同时完成了一些附加操作

动态代理

显然，当有多个类的情况下，静态代理就会显得很繁琐，故可以使用动态代理只写一次代理操作（这里使用Java的反射机制举例）

Code

尝试使用反射对一个函数进行包装

package org.example;

import org.omg.CORBA.portable.InvokeHandler;
import redis.clients.jedis.Jedis;

import java.lang.reflect.*;

/**
 * Hello world!
 *
 */

interface DemoInf{
    public void doWork();
}

class Demo implements DemoInf{
    public void doWork(){
        System.out.println("Do something~");
    }
}

public class App
{
    public static void main( String[] args ) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        Demo demo = new Demo(); //这里是唯一创建的实例，而不是接口
        Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(DemoInf.class.getClassLoader(), DemoInf.class);
        Constructor<?> constructor = proxyClass.getConstructor(InvocationHandler.class);
        DemoInf DemoInf = (DemoInf)constructor.newInstance(new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println("before methods");
                method.invoke(demo, args);  //通过Method类的invoke方法调用，实际的Demo对象
                System.out.println("after methods");
                return null;
            }
        });
        DemoInf.doWork();
    }
}

注：

这里调用了两个内容：Proxy和InvocationHandler
- Proxy:通过getProxyClass接口，用DemoInf的Class生成包含DemoInf的Proxy对象的Classs(用Class生成Class，需要了解的是在JVM中，Class是每各类唯一的状态描述对象)，进而调用构造函数生成DemoInf的代理对象DemoProxy
- InvocationHandler：后续，我们将通过DemoProxy调用函数。而实际上，DemoProxy调用的是内部InvocationHandler对象的接口下的invoke函数。通过对invoke函数覆写，我们可以实现AOP。

将代理函数一般化

package org.example;

import org.omg.CORBA.portable.InvokeHandler;
import redis.clients.jedis.Jedis;

import java.lang.reflect.*;

/**
 * Hello world!
 *
 */

interface DemoInf{
    public void doWork(String s);
}

class Demo implements DemoInf{
    public void doWork(String s){
        System.out.println("Do something:" + s);
    }
}

public class App
{
    public static Object getProxy(Object demo) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        Class<?> proxyClass = Proxy.getProxyClass(demo.getClass().getClassLoader(), demo.getClass().getInterfaces());  //注意第二个参数获得了getClass的Interfaces
        Constructor<?> constructor = proxyClass.getConstructor(InvocationHandler.class);
        Object res =  constructor.newInstance(new InvocationHandler() {
            @Override
            public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args) throws Throwable {
                System.out.println("AOP:before method");
                method.invoke(demo,args);  //因为我们这里添加了参数
                System.out.println("AOP:after method");
                return null;
            }
        });
        return res;
    }

    public static void main( String[] args ) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, InstantiationException, IllegalAccessException {
        Demo demo = new Demo();
        DemoInf proxy = (DemoInf) getProxy(demo);
        proxy.doWork("sleep"); //proxy.doWork(args) => invoke(demo,args)
    }
}

注：

这里注意一下可以通过class获得所有interface
invoke中添加args可以调用参数
本质：和目标对象实现相同接口的实例

类图
定义：为其他对象提供一种代理以控制（隔离，使用接口）对这个对象的访问
注：
- 为对象做一些附加的，额外的操作，如日志，安全控制等
- 在实际使用时具有较高的复杂性
- 不一定要求保持接口完整的一致性，在具体实现上主要表现为加一层
- 尤其是在分布式上采用较多
- 可以分为静态代理与动态代理

适配器模式（Adapter Method）

背景
- 做水果捞
- 原先，我们给自己做水果捞，过程可以分为洗水果，削皮，切片等步骤（老接口）
- 现在，我们给顾客做水果捞，过程呈现给顾客的只有到手的水果（老接口）

code

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class OldFruityMixInf{
public:
    virtual void washFruit()=0;
    virtual void peelFruit()=0;
    virtual void sliceFruit()=0;
};

class FruityMix:public OldFruityMixInf{  //这一部分内容对用户来说是屏蔽的
public:
    virtual void washFruit(){
        cout << "wash fruit" << endl;
    }

    virtual void peelFruit(){
        cout << "peel fruit" << endl;
    }

    virtual void sliceFruit(){
        cout << "slice fruit" << endl;
    }
};

class NewFruityMixInf{
public:
    virtual void doFruit()=0;
};

class Adapter:public NewFruityMixInf{
    OldFruityMixInf *oldFruityMixInf;
public:
    Adapter(OldFruityMixInf *oldFruityMixInf):oldFruityMixInf(oldFruityMixInf){}

    virtual void doFruit(){
        oldFruityMixInf->washFruit();
        oldFruityMixInf->peelFruit();
        oldFruityMixInf->sliceFruit();
    }
};

int main() {
    FruityMix *fruityMix = new FruityMix();
    NewFruityMixInf *newFruityMixInf = new Adapter(fruityMix);
    newFruityMixInf->doFruit();
    return 0;
}

注：对旧的接口进行封装，做成新的接口

类图
定义：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口
注：
- 适配器本身的作用也是移植不同接口的匹配需求
- 继承新接口，组合旧接口

中介者模式（Mediator Method）（不常用）

背景
- 依赖关系
- 使用适配器
Code：无
类图
定义：用一个中介对象来封装（封装变化）一系列的对象交互。中介者使各对象不需要显式的相互引用（编译时依赖=>运行时依赖），从而使其耦合松散（管理变化），而且可以相互独立地改变它们之间的交互
注：
- 与Facade模式的区别：Facade注重区分系统内和系统外的元素，Mediator模式注重区分系统内的元素
- 作用是将一组元素之间复杂的依赖关系通过一个专门的中介去梳理
- 需要自己定义Mediator中具体的调用协议

（六）、“状态变化“模式

组件构建过程中某些对象的状态经常面临变化，又维持高层模块的稳定

状态模式（State Method）

背景
- 做水果捞
- 水果捞的几种状态：原生状态，洗好，剥皮，切开，加奶昔

code

修改前

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

enum State{
    original,wash,peel,slice,over
};

class FruityMixInf{
public:
    virtual void operation()=0;
};

class FruityMix:public FruityMixInf{  //这一部分内容对用户来说是屏蔽的
    State state;
public:
    FruityMix(){
        state = original;
    }
    virtual void operation(){
        if(state == original){
            cout << "wash" << endl;
            state = wash;
        }else if(state == wash){
            cout << "peel" << endl;
            state = peel;
        }else if(state == peel){
            cout << "slice" << endl;
            state = slice;
        }else if(state == slice){  //注意add shake对应over状态
            cout << "add Shake" << endl;
            state = over;
        }
    }
};

int main() {
    FruityMix fruityMix;
    fruityMix.operation();
    fruityMix.operation();
    fruityMix.operation();
    fruityMix.operation();
    return 0;
}

注：当我们想要添加一个wait状态时不符合开闭原则

修改后

main.cpp

#include <iostream>
#include <map>

using namespace std;

class State{
public:
    virtual State* operation()=0;
};

class Over:public State{
public:
    virtual State* operation(){
        cout << "over" << endl;
        return NULL;
    }
};

class Slice: public State{
public:
    virtual State* operation(){
        cout << "add shake" << endl;
        return new Over();
    }
};

class Peel: public State{
public:
    virtual State* operation(){
        cout << "slice" << endl;
        return new Slice();
    }
};

class Wash: public State{
public:
    virtual State* operation(){
        cout << "peel" << endl;
        return new Peel();
    }
};

class Original: public State{
public:
    virtual State* operation(){
        cout << "wash" << endl;
        return new Wash();
    }
};

class FruityMixInf{
public:
    virtual void operation()=0;
};

class FruityMix:public FruityMixInf{  //这一部分内容对用户来说是屏蔽的
    State *state;
public:
    FruityMix(State *state):state(state){}
    virtual void operation(){
        state = state->operation();
    }
};

int main() {
    State *original = new Original();
    FruityMixInf *fruityMix = new FruityMix(original);
    fruityMix->operation();
    fruityMix->operation();
    fruityMix->operation();
    fruityMix->operation();
    fruityMix->operation();
    return 0;
}

注：增加一个状态wait，只需要添加对应的状态类即可

类图
定义：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。从而使对象看起来似乎修改了其行为。
注：
- 与策略模式相似，通常也是在有大量if-else语句的情况下使用，不同点在于通过一个对象表示状态转移
- 虚函数：运行时的if-else语句
- 满足开闭原则
- 可以结合Singleton模式使用

Memento Method（备忘录设计模式）（不常用）

背景：
- 使用A对象
- 使用B对象记录A对象的状态
- A对象出问题，用B对象回复A对象
- 从行为上看，类似于windows的备份

code

class Memento{
    string state;
    //..
public:
    Memento(const string &s):state(s){}
    string getState() const{return state;}
    void setState(const string & s){state=s;}
}

class Originator{
    string state;
public:
    Originator(){}
    Memento createMemento(){
        Memento m(state);
        return m;
    }
    void setMemento(const Memento & m){
        state = m.getState();
    }
}

int main(){
    Originator originator;
    Memento mem = originator.createMemento();  //生成备忘录
    
    //... 改变originator状态
    
    originator.setMemento(mem);
}

类图
定义：在不破坏封装性的前提下，捕捉一个对象的内部状态并在该对象之外保存这个状态，这样以后可以将该对象恢复到原先保存的转态
注：
- 要求程序能回溯到对象之前处于某个点的状态（如果使用公有接口来让其它对象得到对象的状态，可能会暴露对象的细节实现）
- 具体实现，备忘录的实现可以用字符流，内存流，序列化（Java）的方式存储
- 核心
  - 信息隐藏
  - 保持封装性
- 不用深拷贝：当对象内部存在指针是不太适合用深拷贝
- 从某些地方看有点过时，主要了解其思想

（七）、”数据结构“模式

将特定数据结构封装在内部，在外部提供统一的接口

组合模式（Composite Method）

背景
- 在一棵树中有composite(非叶节点)和leaf两个部分
- 显然非叶节点可以向下遍历，叶节点不能向下遍历

code

main.cpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

using namespace std;

class Component{
public:
    virtual void process()=0;
    //virtual ~Component()=0;
};

class Composite:public Component{
    string name;
    vector<Component *> nodes;
public:
    Composite(string name):name(name){}
    void addVector(Component *node){
        nodes.push_back(node);
    }
    virtual void process(){
        cout << name << endl;

        for(auto it:nodes){
            it->process();
        }
    }
};

class Leaf:public Component{
    string name;
public:
    Leaf(string name):name(name){}
    virtual void process(){
        cout << name << endl;
    }
};

int main() {
    Composite *c1 = new Composite("composite1");
    Composite *c2 = new Composite("composite2");
    Composite *c3 = new Composite("composite3");
    Composite *c4 = new Composite("composite4");

    Component *l1 = new Leaf("leaf1");
    Component *l2 = new Leaf("leaf2");
    Component *l3 = new Leaf("leaf3");
    Component *l4 = new Leaf("leaf4");

    c1->addVector(c2);
    c1->addVector(c3);
    c1->addVector(c4);

    c1->addVector(l1);
    c1->addVector(l2);
    c1->addVector(l3);
    c1->addVector(l4);

    c1->process();

    return 0;
}

注：
- 可以看到composite和leaf公用一个process接口操作

类图
定义：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。Composite使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性（对待单个对象和组合对象一样的处理方式）
注：
- 通过多态访问树结构
- 核心：将“客户代码与复杂的对象容器结构”解耦
- 应用：文件系统

迭代器模式（Iterator Method）（不常用）

背景：
- 有多个不同的集合，Map，List等
- 我们希望用同一个接口遍历

code

//这里只是 简单介绍一下面向对象的iterator接口
class iterator{
public:
    virtual void first()=0;
    virtual void next()=0;
    virtual bool isDone() const=0;
    virtual T& current()=0;
}

类图
定义：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而又不暴露（稳定）该对象的内部表示
注：
- 和STL模板里的迭代器
  - 设计目的相同
  - 设计理念不同，gof提出的迭代器以面向对象为基础
- 在某些地方显得过时
c++的泛型编程通过模板的迭代器取代了面向对象的迭代器，因为面向对象使用虚函数是有额外的时间成本的(运行时多态)，而模板则不会(编译时多态且基于隐式约束)
java等语言依然是基于面向对象的迭代器

职责链模式（Chain of Resposibility）（不常用）

背景：
- ui界面多组件的重叠下，点击事件的响应
code：无
类图
定义：使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。将这些对象连成一条链，并沿着这条链传递请求，直到有一个对象处理它为止
注：
- 构成了一条链表
- 应用：一个请求可能有多个接收者，但最后真正的接收者只有一个
- 看上去有点过时
- 应该有缺省机制

（八）、“行为变化”模式

将组件的行为和组件本身进行解耦，从而支持组件行为的变化

命令模式（Command Method）（不常用）

背景：
- 在文档中我们做了剪切，粘贴，复制等操作
- 我们需要将这些操作保存起来，以方便redo和undo

code

class Command{
public:
    virtual void execute()=0;  //通过虚函数进行实现
}

类图
定义：将一个请求(行为)封装为一个对象，从而使你可用不同的请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作
注：
- 用对象来表征行为(一段代码)
- 好处
  - 可以作为参数传递
  - 可以存储在数据结构中
  - 可以做序列化
- 可以通过使用Composite模式，将多个“命令”封装为一个“符合命令”MacroCommand
- 与c++函数对象
  - 都是将函数对象化
  - Command基于虚函数，接口规范严格，有性能损失;函数对象更灵活，性能更高
  - 与Iterator Method模式相同,在Java等语言得到应用

“访问器”模式（Visitor）（慎用）

背景：
- 基类ElementInf，子类$Elment_1,Elment_2,Elment_3$
- 新需求，在源代码基础上给Element添加虚函数fun2，是$Element_1,Element_2,Element_3$实现

code

修改前：直接在源代码基础上添加则违反了开闭原则

修改后

main.cpp

//由于本地ide激活码没了，暂时跑不了
#include <iostream>

using namespace std;

class Visit{
    virtual visitElement1(ElementInf *e)=0; 
    virtual visitElement2(ElementInf *e)=0;
}

class Visit1{  //第一个附加函数
    virtual visitElement1(ElementInf *e){
        cout << "This Element1, fun1" << endl;
    }
    virtual visitElement2(ElementInf *e){
        cout << "This Element2, fun1" << endl;
    }
}

class ElementInf{
    virtual void fun1()=0;
    virtual void accept(Visit *v)=0;
}

class Element1{
    virtual void fun1{
        cout << "Element1 fun1";
    }
    virtual void accept(Visit *v){
        v->visitElement1(this);
    }
}

class Element2{
    virtual void fun1{
        cout << "Element1 fun1";
    }
    virtual void accept(Visit *v){
        v->visitElement2(this);
    }
}

int main(){
    Visit *visit1 = new Visit1();
    ElementInf *e1 = new Element1();
    e1.accept(v1);
    return 0;
}

注
- 每个visit的子类相当于一个扩充的虚函数
- visit中每个函数对应一个具体的类

类图
定义：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。使得可以在不改变(稳定)各元素的类的前提下定义(扩展)作用于这些元素的新操作(变化)
注:
- Element类层次结构稳定，操作却经常面临频繁改动
- 当基类继承的每个子类都需要添加某个动作时适合使用该模式；当仅仅个别子类需要增加操作，直接在子类上添加动作即可
- 用得很少，但一旦用整个结构就会变得很笨重
- 原来是在每个子类中添加一个同名函数 => 新建一个类作为函数的执行类,传入应该执行的类执行对应的方法(Elment1 => fun1)
  
  重点：原函数中有留下一个函数接口accept来接受访问类

（九）、“领域规则”模式

结合特定领域，将问题抽象为规则

解析器（Interpreter）（不常用）

背景：a+b-c+d
code（麻烦但不复杂，写一下思路）
- 定义节点：父节点 => 变量节点，符号节点 => 加法，减法节点
- 解析表达式生成符号树
- 自上而下，递归解析符号树，各节点调用自身的虚函数
类图
定义：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一种解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子
注：
- 通常结合树与虚函数进行表达
- 选择应用场景是难点：满足“业务规则频繁变化，且类似的结构不断重复出现，并且容易抽象为语法规则的问题”，如简单的语法树

三、简述

模板方法:一段代码中有稳定的部分，也有变化的部分。将稳定的部分作为一个类中的run函数，将变化的部分写作几个函数，供run函数调用
策略模式:针对if-else语句块的一般性优化，可以搭配工厂模式使用
观察者模式：解耦事件与被通知对象，将被通知对象保存在类的vector等容器中
装饰者模式：使用继承，能够以一种任意的方式(附加操作)向一个对象添加特征
桥模式：使用接口+组合(在c++中表现为多继承)，以不同维度(非附加操作)指定一个对象

补充装饰者模式与桥模式的区别：
- 装饰者模式通常是用于添加额外的功能(咖啡有不同的品种，还有加不加奶，加不加糖等选项)
- 桥模式通常与搭配选择特定的选项(咖啡的不同品种——主模式，也有不同大小杯——额外的模式)
简单工厂模式(查询资料后附加)：在创建对象是我们可能会有一些附加操作，比如查询数据库。如果直接写在构造函数中会变得很臃肿，所以我们可以使用工厂中的一个函数创建。一个工厂可能生产不同的产品，我们可以在方法中传入参数string type区别，if-else语句进行区分创建(违反了开闭原则，故提出了下面的工厂方法模式)
工厂方法模式：基于某个初始状态的类创建对象，主要目的在于解耦
抽象工厂模式：将存在关联性的几个工厂合并为一个工厂
原型模式：基于某个中间状态的对象创建对象
构建器模式：与Template模式相似，但前者用于代码执行，后者用于类的构建
单例模式：一个系统中最多只有一个该类
享元模式：使用类似key-value的模式，避免创建相同key的类(只读)
门面模式：注重区分系统内和系统外的元素，抽象没有固定代码
代理模式：额外加一层，附加操作，如日志，网络连接等
适配器模式：额外加一层，用老接口适配新接口
中介者模式：额外加一层，注重区分系统内部元素间的关系
状态模式：针对if-else语句块的分状态讨论的优化，通常这些状态时递进的关系，解决方法和策略模式相同，都是抽象为类
备忘录模式：类似系统备份，目前实现方法可以用字符流，内存流，序列化等形式
组合模式：使用多态遍历树结构
迭代器：常见于STL模板
职责链：就是把事件可能响应的对象串成一条链
命令模式：函数对象
访问器模式：代码维护阶段，父类需要添加虚函数，子类需要实现，违反开闭原则，通过该方式可以解决(臃肿，慎用)
解析器模式：用于解析一些简单的语法规则

四、补充

虚函数：延迟到运行时
以上的模式分类是按照视频作者:还需将其与三种经典的分类方法比较
子类将有相同的字段，可以往上提到父类中
思考设计模式从两个角度
- 设计模式的背景
- 这个与相似设计模式的区别
读线程不需要加锁，有写线程就需要加锁

posted @ 2022-03-23 10:27 Arno_vc 阅读(48) 评论(0) 编辑收藏举报

会员力量，点亮园子希望

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Arno_vc

设计模式

一、概述

（一）、基本概念

（二）、面向对象设计原则（八）

依赖导致原则(DIP)

开放封闭原则（OCP）

单一职责原则（SRP）

Liskov替换原则（LSP）

接口隔离原则（ISP）

对象组合优于类继承

封装变化点

面向接口编程

（三）、将设计原则提升为设计经验

（四）、重构

（五）、常见分类

二、设计模式

（一）、组件协作模式

模板方法(Template Method)

策略模式(Strategy Method)

观察者模式(Observer)

（二）、单一职责

装饰模式(Decorate Mode)

桥模式(Bridge Method)

（三）、对象创建

工厂模式(Factor Method)

抽象工厂(Abstract Factor)

原型模式(Prototype Method)

构建器模式(Builder Method)（不常用）

（四）、"对象性能"模式

单例模式（Singleton）

享元模式（Flyweight）

（五）、接口隔离模式

门面模式（Facade Method）

代理模式（Proxy Method）

适配器模式（Adapter Method）

中介者模式（Mediator Method）（不常用）

（六）、“状态变化“模式

状态模式（State Method）

Memento Method（备忘录设计模式）（不常用）

（七）、”数据结构“模式

组合模式（Composite Method）

迭代器模式（Iterator Method）（不常用）

职责链模式（Chain of Resposibility）（不常用）

（八）、“行为变化”模式

命令模式（Command Method）（不常用）

“访问器”模式（Visitor）（慎用）

（九）、“领域规则”模式

解析器（Interpreter）（不常用）

三、简述

四、补充

公告