萬字總結之設計模式七大原則
前言
上篇說了反射，將其作為框架的基礎知識。還沒看過的移至傳送門，萬字總結之反射（框架之魂）。今天我們來看設計模式。話不多說，let's go。
什麼是設計模式？
設計模式是對軟體設計普遍存在的問題，所提出的解決方案。
與專案本身沒有關係，不管是電商，ERP，OA 等，都可以利用設計模式來解決相關問題。
當然如果這個軟體就只有一小部分人用，並且功能非常簡單，在未來可預期的時間內，不會做任何大的修改和新增，即可以不使用設計模式。但是這種的太少了，所以設計模式還是非常重要的。
為什麼要使用設計模式？
使用設計模式的最終目的是“高內聚低耦合”。
- 程式碼重用性：相同功能的程式碼，不多多次編寫
- 程式碼可讀性：程式設計規範性，便於其他程式設計師閱讀
- 程式碼可擴充套件性：當增加新的功能後，對原來的功能沒有影響
設計模式的七大原則
設計模式有7大原則，具體如下，即這些不僅是設計模式的依據，也是我們平常程式設計中應該遵守的原則。
1.單一職責原則
見名知意，我們設計的類儘量負責一項功能，如A類只負責功能A，B類只負責功能B，不要讓A類既負責功能A，又負責功能B，這樣會導致程式碼混亂，容易產生bug。
未使用單一職責原則
Single類：
public class single {
public static void main(String[] args) {
Vehicle vehicle = new Vehicle();
vehicle.run("汽車");
vehicle.run("輪船");
vehicle.run("飛機");
}
}
Vehicle類：
public class Vehicle {
void run(String type){
System.out.println(type+"在公路上開");
}
}
執行結果：
我們看下執行結果，汽車是在公路上開，但是輪船和飛機並不是在公路上。因為Vehicle類負責了不止一個功能，所以該設計是有問題的。
已使用單一職責原則
對於上面的例子，我們採用單一職責原則重寫一下，將Vehicle類拆分成三個類，分別是Car，Ship，Plane，讓他們各自負責陸地上，水上，空中的交通工具，使其互不影響。
如果我們需要對水上交通做“風級大於8級，禁止出海”的限制，就只需要對Ship類進行修改。
具體程式碼如下：
single類：
public class single {
public static void main(String[] args) {
Car car = new Car();
car.run("汽車");
Ship ship=new Ship();
ship.run("輪船");
Plane plane=new Plane();
plane.run("飛機");
}
}
Car類：
public class Car {
void run(String type){
System.out.println(type+"在公路上開");
}
}
Ship類：
public class Ship {
void run(String type){
System.out.println(type+"在水裡開");
}
}
Plane類：
public class Plane {
void run(String type){
System.out.println(type+"在天空開");
}
}
執行結果：
優化
我們可以發現單一職責原則有點程式碼太多了，顯得冗餘。畢竟我們程式設計師是能少寫就少寫，決不能多寫程式碼。那我們對其優化下，上面每個類只有一個方法，我們可以合併為一個類，其中有三個方法，每個方法對應著在公路上，在水上，在天空中的交通工具，將單一職責原則落在方法層面，而不再是類層面，程式碼如下：
single類：
public class single {
public static void main(String[] args) {
Vehicle vehicle = new Vehicle();
vehicle.runOnRoad("汽車");
vehicle.runOnWater("輪船");
vehicle.runOnAir("飛機");
}
}
Vehicle類：
public class Vehicle {
void runOnRoad(String type){
System.out.println(type+"在公路上開");
}
void runOnWater(String type){
System.out.println(type+"在水裡開");
}
void runOnAir(String type){
System.out.println(type+"在天空開");
}
}
執行結果：
優缺點總結
優點：
- 降低類的複雜性，一個類只負責一個職責。
- 提高程式碼的可讀性，邏輯清楚明瞭。
- 降低風險，只修改一個類，並不影響其他類的功能。
缺點：程式碼量增多。(可將單一職責原則落在方法層面進行優化)
2.介面隔離原則
類不應該依賴他不需要的介面，介面儘量小顆粒劃分。
未使用介面隔離原則
People類：
public interface People {
void exam();
void teach();
}
Student類：
public class Student implements People {
@Override
public void exam() {
System.out.println("學生考試");
}
@Override
public void teach() {
}
}
Teacher類：
public class Teacher implements People{
@Override
public void exam() {
}
@Override
public void teach() {
System.out.println("教師教書");
}
}
test類：
public class test {
public static void main(String[] args){
People student=new Student();
student.exam();
People teacher=new Teacher();
teacher.teach();
}
}
執行結果：
注：此處程式碼並沒有報錯，正常執行的，但是看得程式碼冗餘且奇怪。Student只需要實現People的exam方法，而Teacher只需要實現People的teach方法，但是現在Student實現了People介面，就必須重寫exam和teach方法，Teacher也是如此。
已使用介面隔離原則
我們將People介面的兩個方法拆分開，分為兩個介面People1和People2，並且讓Sudent實現People1介面，Teacher實現People2介面，使其互不干擾，具體程式碼如下：
People1類：
public interface People1 {
void exam();
}
People2類：
public interface People2 {
void teach();
}
Student類：
public class Student implements People1 {
@Override
public void exam() {
System.out.println("學生考試");
}
}
Teacher類：
public class Teacher implements People2 {
@Override
public void teach() {
System.out.println("教師教書");
}
}
test類：
public class test {
public static void main(String[] args){
People1 student=new Student();
student.exam();
People2 teacher=new Teacher();
teacher.teach();
}
}
執行結果：
總結
言歸正傳，如果將多個方法合併為一個介面，再提供給其他系統使用的時候，就必須實現該介面的所有方法，那有些方法是根本不需要的，造成使用者的混淆。
3.依賴倒轉原則
高層模組不應該依賴底層模組，二者都應該依賴介面或抽象類。
其核心就是面向介面程式設計。
依賴倒轉原則主要基於如下的設計理念：相對於細節的多變性，抽象的東西要穩定的多，以抽象為基礎搭建的架構比以細節為基礎的架構要穩定的多。
抽象指介面或抽象類，細節指具體的實現類。
這樣講太乾澀，照搬宣科，沒有靈魂，說了等於沒說。接下來我們用例子來說明。
未使用依賴倒轉原則
由於現在是特殊時期，我們先來一個買菜的例子。如下是傻白甜的例子，未使用到依賴倒轉原則。
Qingcai類：
public class Qingcai {
public void run(){
System.out.println("買到了青菜");
}
}
People類：
public class People {
public void bug(Qingcai qingcai){
qingcai.run();
}
}
test類：
public class test {
public static void main(String[] args){
People people=new People();
people.bug(new Qingcai());
}
}
執行結果：
提出問題，思路轉變（重點）
上述看著沒啥問題，但是如果他不想買青菜，想買蘿蔔怎麼辦？我們當然可以新建一個蘿蔔類，再給他弄一個run方法，但是問題是People並沒有操作蘿蔔類的方法，我們還需要在People新增對蘿蔔類的依賴。這樣程式碼要修改的程式碼量太多了，模組與模組之間的耦合性太高，只要需要稍微有點變化，就要大面積重構，所以該設計不合理，我們看下其類圖，如下：
這種設計是一般設計的思考方式，而依賴倒轉原則中的倒轉是指和平常的思考方式完全相反，先從底部開始，即先從Qingcai和Luobo開始，然後想是否能抽象出什麼。很明顯，他們都是蔬菜，然後我們再回頭重新思考如何來設計，新的設計圖如下：
（請原諒我手殘黨，畫圖都畫不好。。。）
我們可以看到將低層的類抽象出一個介面Shucai，其直接和高層進行互動，而低層的一些類則不參與，這樣能降低程式碼的耦合性，提高穩定性。
已使用依賴倒轉原則
思路有了，那就來程式碼耍耍把。
Shucai類：
public interface Shucai {
public void run();
}
Qingcai類：
public class Qingcai implements Shucai{
public void run(){
System.out.println("買到了青菜");
}
}
Luobo類：
public class Luobo implements Shucai {
@Override
public void run() {
System.out.println("買到了蘿蔔");
}
}
People類：
public class People {
public void bug(Shucai shucai){
shucai.run();
}
}
test類：
public class test {
public static void main(String[] args){
People people=new People();
people.bug(new Qingcai());
people.bug(new Luobo());
}
}
執行結果：
總結
該原則重點在“倒轉”，要從低層往上思考，儘量抽象抽象類和介面。此例子很好的解釋了“上層模組不應該依賴低層模組，他們都應該依賴於抽象”。在最開始的設計中，上層模組依賴了低層模組，調整後，上層模組和低層模組都依賴於介面Shucai，依賴關係從圖中可以看出來了“倒轉”。
4.里氏替換原則
繼承的優缺點
里氏替換原則是1988年麻省理工姓李的女士提出，它是闡述了對繼承extends的一些看法。
繼承的優點：
- 提高程式碼的重用性，子類也有父類的屬性和方法。
- 提高程式碼的可擴充套件性，子類有自己特有的方法。
繼承的缺點：
當父類發生改變的時候，要考慮子類的修改。
里氏替換原則是繼承的基礎，只有當子類替換父類時，軟體功能仍然不受到影響，才說明父類真正被複用啦。
使用里氏替換原則1
子類必須實現父類的抽象方法，但不得重寫（覆蓋）父類的非抽象（已實現）方法。
反例
父類A：
public class A {
public void run(){
System.out.println("父類執行");
}
}
子類B：
public class B extends A{
public void run(){
System.out.println("子類執行");
}
}
測試類test:
public class test {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
a.run();
System.out.println("將子類替換成父類：");
B b = new B();
b.run();
}
}
執行結果：
注：我每次使用子類替換父類的時候，還要擔心這個子類有沒有可能導致問題。此處子類不能直接替換成父類，故沒有遵循里氏替換原則。
使用里氏替換原則2
子類中可以增加自己特有的方法
父類A:
public class A {
public void run(){
System.out.println("父類執行");
}
}
子類B：
public class B extends A{
public void runOwn(){
System.out.println("子類執行");
}
}
測試類test：
public class test {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
a.run();
System.out.println("將子類替換成父類：");
B b = new B();
b.run();
b.runOwn();
}
}
執行結果：
注：父類A 有run方法，繼承父類A的子類B有runOwn方法，測試類test先是呼叫A類的run方法，接著用B類替換A類，發現還是執行的是父類A的run方法，最後再呼叫子類B特有的方法runOwn方法。如上，說明該段程式碼已使用了里氏替換原則。
使用里氏替換原則3
當子類覆蓋或實現父類的方法時，方法的前置條件（即方法的形參）要比父類方法的輸入引數更寬鬆。
父類A：
public class A {
public void run(HashMap hashMap){
System.out.println("父類執行");
}
}
子類B :
public class B extends A{
public void run(Map map){
System.out.println("子類執行");
}
}
測試類test：
public class test {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
a.run(new HashMap());
System.out.println("將子類替換成父類：");
B b = new B();
b.run(new HashMap());
}
}
執行結果：
我們可以看到在測試類test中，將父類A替換成子類B的時候，還是顯示的執行結果“父類執行”，我們可以發現他並不是重寫，而是方法過載，因為引數不一樣，所以他其實是對繼承的規範化，為了更好的使用繼承。關於是否為方法過載或重寫，我們從下圖看：
如果是重寫，在上圖示紅的位置會出現箭頭，我們可以看出是實際為過載。
那如果沒有使用這個規則，會是什麼樣？看下面的程式碼：
父類A：
public class A {
public void run(Map map){
System.out.println("父類執行");
}
}
子類B：
public class B extends A{
public void run(HashMap hashMap){
System.out.println("子類執行");
}
}
測試test:
public class test {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
a.run(new HashMap());
System.out.println("將子類替換成父類：");
B b = new B();
b.run(new HashMap());
}
}
執行結果：
我們可以看到將子類的範圍比父類大的時候，替換的子類還是執行自己的子類方法。此不符合里氏替換原則。
總結
我們平常好像也沒有遵循這些里氏替換原則，程式還是正常跑。其實如果不遵循里氏替換原則，你寫的程式碼出問題的機率會大大增加。
5.開閉原則（重點）
基本介紹
前面四個原則，單一職責原則，介面遮蔽原則，依賴倒轉原則，里氏替換原則可以說都是為了開閉原則做鋪墊，其是程式設計彙總最基礎，最重要的設計原則，核心為對擴充套件開發，對修改關閉，簡單來說，通過擴充套件軟體的行為來實現變化，而不是通過修改來實現，儘量不修改程式碼，而是擴充套件程式碼。
未使用開閉原則
介面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");
}
}
當我們修改需求，讓大巴也能有在水裡開的屬性，我們可以對Bus類新增一個方法即可。但是這個已經違背了開閉原則，如果業務複雜，這樣子的修改很容易出問題的。
已使用開閉原則
我們可以新增一個類，實現transport介面，並繼承Bus類，寫自己的需求即可。
public class universalBus extends Bus implements transport {
@Override
public void run() {
System.out.println("大巴既然在公路上開，又能在水裡開");
}
}
6.迪米特原則
介紹
- 一個物件應該對其他物件保持最少的瞭解。
- 類與類關係越密切，耦合度越大
- 一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說，對於被依賴的類不管多麼複雜，都儘量將邏輯封裝在類的內部。對外除了提供的public 方法，不對外洩露任何資訊
- 迪米特法則還有個更簡單的定義：只與直接（熟悉）的朋友通訊
- 直接（熟悉）的朋友：每個物件都會與其他物件有耦合關係，只要兩個物件之間有耦合關係， 我們就說這兩個物件之間是朋友關係。耦合的方式很多，依賴，關聯，組合，聚合等。
其中，我們稱出現成員變數，方法引數，方法返回值中的類為直接的朋友，而出現在區域性變數中的類不是直接的朋友。也就是說，陌生的類最好不要以區域性變數 的形式出現在類的內部。
把上面的概念一一翻譯成人話就是：
- 我們這個類姑娘啊，因為太矜持了不善於社交，所以對其他類夥伴們不怎麼熟悉。
- 類姑娘實在是太害羞了，一旦與別人多說幾句話就會緊張的不知所措，頻頻犯錯。
- 矜持的類姑娘儘管心思很活躍，愛多想。但是給別人的感覺都是純潔的像一張白紙。
- 因為類姑娘太過於矜持，害怕陌生人，認為陌生人都是壞人，所以只與自己熟悉的朋友交流。
- 類姑娘熟悉的朋友有：成員變數，方法引數，方法返回值的物件。而出現在其他地方的類都是陌生人，壞人！本姑娘拒絕與你交流！！！
哈哈，這樣應該大家都能理解了。總而言之就一句話：一個類應該儘量不要知道其他類太多的東西，不要和陌生的類有太多接觸。
未使用迪米特原則
總公司員工Employee類：
public class Employee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
分公司員工SubEmployee類：
public class SubEmployee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
總公司員工管理EmployeeManager類：
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("總公司"+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());
}
}
}
分公司員工管理SubEmployeeManager類：
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;
}
}
測試類：
public class test {
public static void main(String[] args){
EmployeeManager employeeManager=new EmployeeManager();
SubEmployeeManager subEmployeeManager=new SubEmployeeManager();
employeeManager.printAllEmployee(subEmployeeManager);
}
}
執行結果：
上面的程式碼是正常執行的，但是可以看到一個問題，EmployeeManager類的printAllEmployee方法中使用的區域性變數SubEmployee是不符合迪米特法則的，其是陌生朋友，應該拒絕溝通。
已使用迪米特原則
EmployeeManager類:
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("總公司" + 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類：
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());
}
}
}
我們將EmployeeManager類printAllEmployee方法中的列印分公司的程式碼移到了分公司的管理類SubEmployeeManager類中，再在方法中顯示的呼叫SubEmployeeManager類的方法，這符合迪米特法則的。
7.合成複用原則
儘量使用合成/集合，不要用繼承。
如果使用繼承，會使得耦合性加強，儘量作為方法的輸入引數或類的成員變數，這樣可以避免耦合。
結語
所有的原則只是規範，為了程式碼更加優雅，為了讓人一目瞭然。如果一定不遵循原則，那程式碼還是可以跑的，只是日後出bug的可能性提高。
以上，簡單來說，主要包括兩點：
1.找出應用中需要變化的獨立出來，不要和固定的混合在一起。
2.面向介面程式設計，而不是面向實現程式設計。
參考資料
設計模式六大原則（一）：單一職責原則
設計模式的七大原則(1) --單一職責原則
六大設計原則之依賴倒置原則（DIP）
設計模式之里氏替換原則