零基础学设计模式 - 大纲

前言

本教程旨在帮助零基础的同学快速入门设计模式，理解其核心思想和应用场景。我们将通过清晰的讲解和简单的示例，逐步引导你掌握常用的设计模式。

第一部分：设计模式入门

1. 什么是设计模式？
   • 设计模式的定义与重要性
   • 设计模式的分类（创建型、结构型、行为型）
   • 学习设计模式的好处：代码复用性、可读性、可维护性、灵活性、健壮性
2. 面向对象设计原则 (SOLID)
   • 这些原则是理解和应用设计模式的基础。
   • S - 单一职责原则 (Single Responsibility Principle - SRP)
   • O - 开闭原则 (Open/Closed Principle - OCP)
   • L - 里氏替换原则 (Liskov Substitution Principle - LSP)
   • I - 接口隔离原则 (Interface Segregation Principle - ISP)
   • D - 依赖倒置原则 (Dependency Inversion Principle - DIP)
   • 其他相关原则：
     • 迪米特法则 (Law of Demeter - LoD) / 最少知识原则 (Least Knowledge Principle - LKP)
     • 组合/聚合复用原则 (Composition/Aggregation Reuse Principle - CARP)

第二部分：创建型模式 (Creational Patterns)

• 核心思想：关注对象的创建过程，将对象的创建与使用分离，降低系统的耦合度。

1. 单例模式 (Singleton Pattern)
   • 目的：保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。
   • 场景：配置信息类、日志对象、数据库连接池、线程池等。
   • 实现方式：懒汉式（线程不安全、线程安全）、饿汉式、双重校验锁、静态内部类、枚举。
2. 工厂方法模式 (Factory Method Pattern)
   • 目的：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。
   • 场景：需要创建不同类型的对象，但具体类型在运行时确定；不想让客户端代码与具体类耦合。
3. 抽象工厂模式 (Abstract Factory Pattern)
   • 目的：提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
   • 场景：需要创建一组相关的产品对象，且客户端不依赖于具体产品类；切换产品族方便。
4. 建造者模式 (Builder Pattern)
   • 目的：将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
   • 场景：对象的构建过程比较复杂，包含多个步骤；需要创建属性较多的对象，且部分属性可选。
5. 原型模式 (Prototype Pattern)
   • 目的：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
   • 场景：创建新对象成本较大（如初始化需要占用很多资源）；需要大量创建相似对象。

第三部分：结构型模式 (Structural Patterns)

• 核心思想：关注类和对象的组合，通过继承和组合等方式形成更大的结构，使其更灵活、更高效。

1. 适配器模式 (Adapter Pattern)
   • 目的：将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。适配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。
   • 类型：类适配器（使用继承）、对象适配器（使用组合）。
   • 场景：系统需要使用现有的类，而这些类的接口不符合系统的需要；创建一个可以复用的类，用于与一些彼此之间没有太大关联的一些类协同工作。
2. 桥接模式 (Bridge Pattern)
   • 目的：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
   • 场景：一个类存在两个或多个独立变化的维度，且这两个维度都需要进行扩展。
3. 组合模式 (Composite Pattern)
   • 目的：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。
   • 场景：表示对象的树形结构（如文件系统、GUI容器）；希望用户忽略组合对象与单个对象的不同，统一地使用组合结构中的所有对象。
4. 装饰器模式 (Decorator Pattern)
   • 目的：动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。
   • 场景：在不想增加很多子类的情况下扩展一个类的功能；动态地给对象添加功能，并且可以动态撤销。
5. 外观模式 (Facade Pattern)
   • 目的：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，外观模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
   • 场景：为一个复杂的子系统提供一个简单的接口；提高子系统的独立性；在层与层之间建立外观层。
6. 享元模式 (Flyweight Pattern)
   • 目的：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
   • 场景：系统中存在大量的相似对象，这些对象的大部分状态都可以外部化。
   • 核心：区分内部状态（共享）和外部状态（不可共享）。
7. 代理模式 (Proxy Pattern)
   • 目的：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。
   • 类型：静态代理、动态代理 (JDK动态代理、CGLIB动态代理)。
   • 场景：远程代理、虚拟代理、安全代理、智能指引。

第四部分：行为型模式 (Behavioral Patterns)

• 核心思想：关注对象之间的职责分配、算法封装和对象间的交互。

1. 责任链模式 (Chain of Responsibility Pattern)
   • 目的：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，并沿着这条链传递该请求，直到有一个对象处理它为止。
   • 场景：多个对象可以处理同一个请求，但具体由哪个对象处理则在运行时动态确定；在不明确指定接收者的情况下，向多个对象中的一个提交一个请求。
2. 命令模式 (Command Pattern)
   • 目的：将一个请求封装为一个对象，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。
   • 场景：需要将请求发送者与接收者解耦；需要支持请求排队、记录日志、撤销/重做等功能。
3. 解释器模式 (Interpreter Pattern)
   • 目的：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
   • 场景：当有一个语言需要解释执行，并且你可将该语言中的句子表示为一个抽象语法树时。
4. 迭代器模式 (Iterator Pattern)
   • 目的：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又无须暴露该对象的内部表示。
   • 场景：访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部结构；支持多种遍历方式。
5. 中介者模式 (Mediator Pattern)
   • 目的：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。中介者使各个对象不需要显式地相互引用，从而使其耦合松散，而且可以独立地改变它们之间的交互。
   • 场景：一组对象以定义良好但复杂的方式进行通信，导致了过多的相互依赖和难以理解的结构。
6. 备忘录模式 (Memento Pattern)
   • 目的：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。这样以后就可将该对象恢复到原先保存的状态。
   • 场景：需要保存/恢复对象的状态，如撤销操作、历史记录。
7. 观察者模式 (Observer Pattern)
   • 目的：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
   • 场景：一个对象的改变需要同时改变其他对象，而且它不知道具体有多少对象有待改变；一个抽象模型有两个方面，其中一方面依赖于另一方面。
8. 状态模式 (State Pattern)
   • 目的：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。
   • 场景：一个对象的行为取决于它的状态，并且它必须在运行时根据状态改变它的行为。
9. 策略模式 (Strategy Pattern)
   • 目的：定义一系列的算法,把它们一个个封装起来, 并且使它们可相互替换。本模式使得算法可独立于使用它的客户而变化。
   • 场景：针对同一类型问题的多种处理方式，仅仅是具体行为有差别；需要自由切换算法的场景。
10. 模板方法模式 (Template Method Pattern)
    • 目的：定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。
    • 场景：一次性实现一个算法的不变的部分，并将可变的行为留给子类来实现；各子类中公共的行为应被提取出来并集中到一个公共父类中以避免代码重复。
11. 访问者模式 (Visitor Pattern)
    • 目的：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。它使你可以在不改变各元素的类的前提下定义作用于这些元素的新操作。
    • 场景：对象结构中对象对应的类很少改变，但经常需要在此对象结构上定义新的操作。

第五部分：总结与进阶

1. 设计模式的综合应用
   • 如何在实际项目中识别和选择合适的设计模式。
   • 常见的设计模式组合使用案例 (如 MVC, MVVM 中的模式)。
   • 设计模式的过度使用与不足。
2. 反模式 (Anti-Patterns)
   • 了解常见的反模式及其危害 (如上帝类 God Class, 意大利面条式代码 Spaghetti Code)。
   • 如何识别和避免反模式。
3. 学习资源与下一步
   • 推荐经典书籍：《设计模式：可复用面向对象软件的基础》(GoF)、《Head First 设计模式》等。
   • 推荐在线资源：Refactoring Guru, SourceMaking 等。
   • 通过阅读开源项目代码学习设计模式的实际应用。
   • 持续学习和实践的建议：多思考、多练习、多总结。

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学习建议：

• 理解原则：先理解SOLID等设计原则，它们是设计模式的基石。
• 由简入繁：从简单常用的模式开始学习，如单例、工厂、策略、观察者等。
• 动手实践：理论结合实践，尝试用代码实现每个模式，并思考其应用场景。
• 对比分析：学习相似模式时，注意对比它们的区别和各自的适用场景。
• 重构现有代码：尝试用学到的设计模式重构自己以前写的代码，加深理解。

祝学习愉快！