本文力图在15分钟内，经过典范和类比，让你对面向目标的23种规划形式构成提纲挈领的知道，然后让咱们在面对代码规划问题时愈加心中有数。本文源代码： UML, Sample Code。

开门见山

咱们直奔主题，分类出现23种规划形式的庐山真面目：

创立型 (5)
Creational		 结构型 (7)
Structural		 行为型 (11)
Behavioral
工厂办法 Factory method
笼统工厂 Abstract factory
制作者 Builder
原型 Prototype
单例 SingleTon		 适配器 Adapter
桥接 Bridge
组合 Composite
装修 Decorator
外观 Facade
享元 Flyweight
署理 Proxy		 职责链 Chain of responsibility
指令 Command
解说器 Interpreter
迭代器 Iterator
中介 Mediator
备忘录 Memento
观察者 Observer
状况 State
战略 Strategy
模板办法 Template method
拜访者 Visitor

这23种规划形式源于GoF所著的”Design Patterns – Elements of Reusable Object-Oriented Software” 一书（也有将该书直接简称为GoF），译本为 “规划形式：可复用面向目标软件的基础”。原书将这23种规划形式分为三类：

  • 创立型包含5种形式，涉及目标/目标组合的创立构建。
  • 结构性包含7种形式，涉及目标/类之间的联系。
  • 行为型包含11种形式，涉及目标/类的行为、状况、流程。

从该书的标题咱们能够了解到，规划形式是一个面向目标开发办法下的概念，是处理代码规划/软件架构问题的可复用的元素，同时是基本元素（elements）。引证原书的例子，咱们大家所熟识的MVC形式，Model-View-Controller，就能够解构为几种规划形式的组合演化，比方能够在View和Model的联系中看到观察者形式 Observer、组合形式 Composite、装修形式 Decorator，在Controller中发现战略形式的影子。经过对23种基础形式的有机运用和结合，能够进一步演化出更杂乱的软件架构。限于篇幅，本文不会解说每种规划形式的界说和背景，读者能够参阅规划形式简介来学习界说。

规划形式的UML、类比和典范

这个部分，咱们逐渐从尝鲜到类比，深入了解一些比较常见风趣的规划形式的UML及其经典实例。GoF原书中也引荐学习者从“形式怎样相互相关”以及“研究目的类似的形式“动身来学习和挑选规划形式。首要看看最简略常见的战略形式和另一个同属行为型形式的状况形式：

战略形式 Strategy 状况形式 State
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 – Comparator#compare() 和 Collections#sort()
– Spring Security: PasswordEncoder 		– 标准典范: javax.faces.lifecycle.LifeCycle#execute()
– 形似样例：Java Thread State, ExoPlayer
概述 让外部对算法的相互替换无感 答应一个目标依据内部状况改动行为
要害字 Strategy, rule State, switch, phase, lifecycle
中心人物 Strategy State

战略形式和状况形式在UML图形上十分相像，他们之间的主要区别如下：

  • 状况目标能够持有上下文目标（调用方），但战略形式一般存在这种依靠。
  • 状况形式能够在彼此之间进行跳转替换，比方调用了播放器的play办法，那么状况或许从stop->playing，这个操作能够用状况目标完结。
  • 一个战略和调用方的联系（依靠）或许弱于状况和上下文目标的联系（持有、属性）。
  • 战略的不同或许只影响一个行为，但是状况的不同影响状况持有目标行为的方方面面。

全体上战略形式要比状况形式愈加简明易懂，运用场景更广，在大型项目中的运用也随处可见。而状况形式虽然也是对常见概念的笼统，其运用却相对有限，其原因或许是，在更多的情况下，把行为的差异界说在不同的状况中，或许并非契合直觉的操作：与其把状况也界说为目标承载行为，不如把状况界说为一个标记，直接用if或switch判断来的直接。或许换言之，大多数情况下，问题还没有杂乱到要用状况形式的程度。

借助这种对比的视角，咱们来学习更多形式。先看看以下三种结构型规划形式：

适配器 桥接形式 外观
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 RecyclerView.Adapter 典范比较少：
– Collections#newSetFromMap()
– (ADB?)，如Spring中Service和Repository的联系		 十分常见，如：Facades, FacesContext, ExternalContext, DataSource#getConnection()
概述 将一个类的接口转换成满意另一个要求的接口 将笼统部分与它的完结部分别离 为子体系中的一组接口供给一个一致易用的界面
要害字 Adatper Wrapper Context
中心人物 Adpter, Adaptee Bridge Facade

适配器形式、桥接形式和外观形式同属结构型规划形式，他们三者概念上很相像，都是经过树立接口来为类的办法树立或重构联系，比方，似乎咱们用外观的视角去解说适配器，也能解说的通，Adapter便是在协助Adaptee树立统一界面，或许树立桥梁。

规划形式便是这样，非要较真，一切的规划形式都大同小异（至少在一个类型之内），这是学习规划形式的一个误区。回到上面的三个规划形式上，他们的中心区别更多表现在时机和动身点上：适配器Adapter着重兼容性，桥接Bridge着重笼统与完结的别离，而外观Facade着重简化杂乱性。咱们分辨这些形式也应该从目的动身来看。

Spring的三层结构也融合表现了Facade和Bridge的规划，Service和Repository之间偏重表现Bridge形式理念，而Controller和Service之间更像Facade形式：Controller整合Service，对外供给API:

15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比

下面咱们再看几种常见的行为型形式的类比分析：

署理 装修 中介
UML
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典范 – Java Reflect API: Proxy
– Java EJB: Enterprise JavaBean, JavaX Inject, JavaX PersistenceContext
– ActivityManager 和 ActivityManagerService
– PerformanceInspectionService 和 PerformanceTestManagementService 		– Java IO: GZIPOutputStream and OutputStream, Reader and BufferedReader
– java.util.Collections, checkedXXX(), synchronizedXXX() 和 unmodifiableXXX() 系列办法，拓宽集合
– HttpServletRequestWrapper and HttpServletResponseWrapper
– JScrollPane 		– Java Message Service, JMS by Oracle
– java.util.Timer (all scheduleXXX() methods), java.util.concurrent.ExecutorService (the invokeXXX() and submit() methods)
概述 经过署理来操控对一个目标的拜访 动态地给一个目标添加功用 封装目标之间的交互（传话筒）
要害字 Delegate Wrapper MessageQueue, Dispatcher
中心人物 Proxy Decorator Mediator

这儿，从类之间联系上看，署理和装修更为类似，而中介则不同，它只是姓名上和署理附近。关于署理(拜访和操控)和装修（增强和扩展）的区分，同样能够从目的和目的的视点区分。以署理来为例，它的首要作用是树立拜访通道，比方安卓中，运用和体系之间用Binder来进行IPC，而在运用进程和体系进程间，为了这种IPC调用，很多运用了署理形式，名为Proxy的目标随处可见。而在规划Hydra Lab的过程中，为了让测验用户能便利的在测验实例中经过SDK拜访一些Hydra Lab Test Agent的服务办法，咱们也运用了一个简明的静态署理来完结这种不同环境下的拜访。

在署理形式下，有了拜访通道，自然就能够做到对通讯的操控，比方依据权限的、或是依据格局验证的。而装修形式着眼于增强、扩展，比方BufferedRead关于Reader的增强。从这个视点讲，一个类假如叫AuthWrapper就会比较古怪，AuthProxy则更常见一些，由于授权这种操作明显更着重操控。当然这取决于具体情境。

中介其实是很宽泛的概念，解耦通讯的两边或多方，比较火热的各类MQ框架其实是这个形式的一个衍生。

观察者 拜访者
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 – java.util.Observer, Observable
– java.util.EventListener
– ReactiveX Interface Observer 		– AnnotationValueVisitor
– ElementVisitor
– TypeVisitor
– SimpleFileVisitor
– VisitCallback
– ClassVisitor (ASM 9.4)
概述 对个观察者监听一个主题目标 表明一种对某目标中各元素的只读操作
要害字 Observable, Observer, Subject,
Subscription		 Visitor
中心人物 Observer, Subject Visitor, Element

这两个形式之间在完结上其实并没有太多联系。但二者都是想去“读”，不会直接改动被读目标的状况。观察者经过订阅监听的办法被动地读，而拜访者是自动视角，以一种独特的办法读。和观察者很附近的“Listener”，是更常见的概念，更轻量，因此也更广泛。

职责链 备忘录
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 – OkHttp Interceptors
– java.util.logging.Logger
– javax.servlet.Filter 		– Activity#onSaveInstanceState(…)
– Java Serializable
概述 树立处理链条传递恳求 捕获目标状况并保存，以备状况恢复
要害字 Chain, Interceptor, Filter, proceed, Response State, Lifecycle, Context
中心人物 Handler Memonto, Originator, Caretaker

职责链和备忘录形式虽然目的和规划上都不相同，但二者都有十分浓厚的IoC操控回转的滋味，和生命周期的规划联系严密。玩游戏的同学对备忘录形式最容易树立了解，一个存档便是一个持久化的State，游戏自身的存读档服务作为caretaker，帮你确保你肝的进展不会白搭。所以备忘录形式其实十分的常见，软件国际里比比皆是。

指令 解说器
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 – IShellOutputReceiver
– Java Runnable 		– java.util.Pattern
– java.text.Normalizer
– java.text.Format
– javax.el.ELResolver
概述 将恳求封装为目标，然后便利参数化和恳求行列办理 界说文法和表明办法
要害字 Executor Expression
中心人物 Command, Receiver, Invoker(Executor) Interpretor, Expression

上面两者也无法直接类比，但是当二者合体，指令的解说和执行趁热打铁，一个脚本言语的c执行器雏形就诞生了。这儿的指令形式其实比“指令”自身在规划上有更周全的考虑，它还包含了对执行结果的接纳接口的预留。

笼统工厂 工厂办法
UML
15分钟入门23种设计模式：图解，范例和对比
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典范 – DocumentBuilderFactory(JavaX)
– TransformerFactory(JavaX)
– XPathFactory(JavaX)
– BeanFactory#getBeanProvider(Spring) 		java.util.Calendar#getInstance()
概述 将一个类的接口转换成满意另一个要求的接口 由工厂的子类决议创立的实例目标
要害字 Factory, new…, create… Factory, newInstance, Creator
中心人物 AbstractFactory Creator

其他形式还包含：修建者形式，原型形式，享元（类似多例），单例；组合；模板办法，迭代器。这些形式或是不常用，或是过于常用常见，且都比较简略，限于篇幅本文不再一一详述。

经过这个类比学习的过程，咱们或许会逐渐感触到，规划形式的重点并不在于类之间联系的严厉界说、罗列和排布，无含义的争辩、论证会堕入“把规划形式当作一个严厉的学术理论”的误区。更多的，咱们应该从问题的目的动身，发散考虑处理方案中或许包含的规划元素，然后依据实际情况精简到合理的规划。

所以咱们不必纠结于附近的两种形式的严厉界定和区分，比方，无需争辩反驳一种完结究竟是用的署理还是装修，而是了解这两种形式的看问题的视点和目的，融会贯通，灵敏组合运用：假如你着重的视点是功用拓宽，那规划方案便是装修；假如你着重的是拜访操控，那便是署理。许多初学者觉得许多形式很类似，感到剩余，这是很正常的感触和学习阶段；随着更多运用和实战，你会生长和洞悉更多形式的含义；后来你已经成为规划大师，灵敏运用规划形式、AOP、函数式、算法乃至ML处理各类问题，叙述和推进方案的完结，规划形式的评论和辩论只不过是茶余饭后的谈资。这一点，在原书“怎样挑选规划形式”章节中，也有提及。

总结来讲，初学规划形式，关注点能够放在：

  • 这个规划形式处理什么类型的问题，目的是什么，以及它怎么对概念进行笼统（要害人物）和处理（接口、联系）的。
  • 用规划形式作为大家沟通软件规划的言语，把握这些术语，削减沟通本钱。

怎么学习和运用规划形式

本部分内容源自GoF原书中1.8章的内容“怎样运用规划形式”，精简了原书的7步为6步，并去除了翻译腔：

  1. 阅览一遍该形式，把握要害要素 这个形式的姓名是什么，目的是什么，里边的要害人物是什么，常见的要害词？

  2. 回头去研究结构部分、参与者部分和协作部分 进一步了解人物的职责和联系，有哪些接口，以及形式的适用性：这个形式更适合处理什么类型的问题？

  3. 看看示例代码 例子能让咱们了解形式处理的实际问题，成为咱们完结的参阅。

  4. 参阅形式中的命名办法 比方，在Strategy形式中，你能够直接给算法命名末尾加上Strategy来表现这个形式；再比方，能够用create作为办法的开头前缀来凸显工厂办法。

  5. 界说类和接口 选定好形式、完结命名后，下一步能够树立好类与接口之间的承继/完结联系，界说代表数据和目标引证的实例变量。

  6. 完结形式 开始依据形式完结处理方案。

规划形式的引进是带有一定本钱的，学习本钱和杂乱性的增加便是其中之一，也或许会有性能上的损耗（虽然能够疏忽），但它为架构带来了灵敏性，使其愈加清晰可保护。接下来，作为拓宽阅览，咱们能够评论一下规划形式的含义，获得更深的了解。

规划形式的含义和批评

谈及为什么需要规划形式时，首要要回答什么规划是好的规划。软件是对实际问题杂乱性的笼统和办理，Uncle bob说：“软件应该是可变的”，正如实际国际“仅有不变的便是不断地改变”，软件应该能灵敏地应对实际国际的需求。所以咱们会评论软件架构的可扩展性、可保护性、高可用、可重用、可移植性等。假如你只是在编写一个又一个的脚本、一次性工具或许编程练习题，当然不必把问题杂乱化。但假如你期望你的软件有更强的生命力和更广阔的前景，那就要严厉对待软件规划，防止代码腐化。

此外，一个人的力量是有限的，假如期望借助协作来扩展软件的服务范围、影响力，那么可读性也就重要起来。“Good code is like well-written prose”，好代码应该像美丽的散文；至少是自解说的。引述GoF的原文，“一切结构良好的面向目标软件体系结构中都包含了许多形式…内行的规划者知道：不是处理任何问题都要从头做起…这些形式处理特定的规划问题，使面向目标规划更灵敏、优雅，最终复用性更好。”所以这儿的两层意思就一方面着重了形式对软件规划自身的好处，一方面说明晰这些形式树立了大家在面向目标规划上的共识和沟通基础。此外，大师们还总结了一些规划准则来框定好的规划。

SOLID规划准则

虽然许多教程将规划准则和规划形式放在一同评论，暗示规划形式是遵从了规划准则，实际上他们并非同出一家。而且规划准则有许多种说法，这儿咱们共享Uncle Bob提出的最容易回忆的版本，SOLID 准则：

  • Single responsibility, 单一职责准则 SRP：就一个类而言，应该仅有一个引起它改变的原因。
  • Open-close, 开闭准则 OCP：软件实体应该关于扩展是开放的，关于修正是封闭的。
  • Liskov substitution, 里氏代换准则 LSP。子类型有必要能够替换掉它们的父类型。把父类实例替换成子类实例，程序行为不应该有改变。
  • Interface segregation, 接口阻隔准则 ISP。
    • 一个类对另外一个类的依靠性应当是树立在最小的接口上的。
    • 客户端程序不应该依靠它不需要的接口办法（功用）。
  • Dependency inverse, 依靠倒转准则 DIP：
    • 高层模块不应该依靠低层模块。两个都应该依靠笼统。
    • 笼统不应该依靠细节，细节应该依靠笼统。

咱们能够以为这些规划形式是处理规划问题考虑的绳尺，也能够以为他们只是一种理念。正如Uncle bob 所说：”The SOLID principles are not rules. They are not laws. They are not perfect truths… This is a good principle, it is good advice…”。总之，了解这些能够协助咱们把握考虑方向，但不能帮咱们处理问题。换言之，关于初学者而言，规划准则或许没有规划形式那样强的实战含义。

批评之声

关于规划形式的批评，源自于对其创立所在年代的干流编程言语的局限性的挑战，以及关于面向目标自身的质疑。有人以为规划形式的提出反映了Java和C++自身言语特性的缺失；也有以为假如灵敏运用aspect-oriented-programming，就用不着搞出来23种之多啰啰嗦嗦的规划形式了。对此，笔者觉得纯粹的理论上的对错没那么重要，软件开发是科学和艺术的结合地带，而规划形式是一个年代开发者考虑的精华沉淀，能给咱们带来的不仅是具体方案，更多的是处理问题的思想办法，它们自身就存在于很多的编程实践中，GoF对他们进行了提炼和综述，这自身便是含义巨大的效果了，更何况他们已经成为工程师文化的一部分，成为了术语。例如，咱们从Spring中既能看到AOP的运用、函数式编程的运用，也能看到制作者、工厂形式、战略等等的运用。编程大师应该是博学和形形色色的，代码的艺术正在于灵敏和当令的运用，囿于顽固崇奉而回绝经典或许新知断不可取。

其他常见疑问FAQ

Q: 规划形式和后续盛行的的Reactive、函数式编程、AOP、IoC以及DI之间的联系是什么？

A: 总体上，这些是不同维度的概念，总结为下表：

概念 释义（译） 领域
规划形式 Software design pattern 软件规划的处理方案
IoC 操控回转 Inversion of control 软件架构层面的一种规划形式
DI 依靠注入 Dependency injection 一种规划形式
AOP Aspect-oriented programming，面向切面的编程 编程范式（面向目标）
函数式编程 Functional programming 编程范式（声明式）
Reactive Reactive programming, 呼应式编程 编程范式（声明式）
微服务 Microservices 一种架构形式（面向服务的架构）

Q: 是否还有其他规划形式？

A: 有的，随着软件开发实践的演化，有越来越多的规划形式被总结出来，只不过或许还没有一本经典将其整理入册。比方常见的锁的两层查看，也被以为是一种独立于言语的并发型规划形式。DI也是规划形式 Concurrency Patterns，其人物包含注入器Injector，服务Service，客户端Client和接口Interfaces。DI也是一种创立型Creational规划形式，其目的在于优化类之间依靠联系，因此和整个软件或模块的架构的相关性更亲近。

References

  • Design Patterns, Elements of Reusable Object-Oriented Software
  • en.wikipedia.org/wiki/Softwa…
  • butunclebob.com/ArticleS.Un…
  • en.wikipedia.org/wiki/SOLID
  • sites.google.com/site/uncleb…
  • en.wikipedia.org/wiki/Law_of…
  • www.jianshu.com/p/8cbc4bf89…
  • coderanch.com/t/99717/eng…
  • stackoverflow.com/questions/3…
  • stackoverflow.com/questions/6…
  • stackoverflow.com/questions/1…

关于我

我是风云散步，现在在微软中国担任研制经理。期望在这个空间和大家共享沟通技能心得，职业生涯，团队和项目办理，趋势动态。旨在畅谈、共享和记录，不拘小节；但也不扫除寻根究底、钻牛角尖。

本人热爱技能和打码，尤其享受用技能处理实际问题的过程和结果；相信创造力是尖端才能，是人价值的放大器。此外，本人专心于软件和代码质量、工程效率和研制能效方面多年，现在在微柔和团队一同推进2023年新开源的项目Hydra Lab的完善与开展；欢迎和我在开源国际组队打码，造轮子 or 添砖加瓦。