深入解析设计模式与设计原则：构建可维护性和可扩展性代码

一、为什么需要设计模式？

1.1、设计模式的定义

设计模式大概有23种。 设计模式是指在软件开发中，经过验证的，用于解决在特定环境下，重复出现的，特定问题的解决方案。 从定义可以看出，设计模式的使用有很多的局限性。一定要明确它解决什么问题，再使用它。当不清楚设计模式解决什么问题时不要轻易使用。

通俗的讲，设计模式是解决软件开发过程中一些问题的固定套路。不要过度的封装或使用设计模式，除非明确了需求的具体变化方向，而且变化方向的点是反复的出现，才会使用设计模式；即慎用设计模式。

设计模式要到达一定的工程代码量才能精通。但是，了解设计模式是需要的。

1.2、设计模式由来

设计模式的由来可以追溯到20世纪80年代，由计算机科学家埃里希·伽玛（Erich Gamma）等人首次提出。他们将设计模式定义为可重复利用的解决方案，用于常见问题和设计挑战。

设计模式的出现是为了解决软件开发中的一些常见问题，帮助开发人员更高效地编写可维护和可扩展的代码。通过使用设计模式，开发人员可以借鉴先前的成功经验，避免重复发明轮子，同时提高代码的可读性和可理解性。

设计模式的目标是提供经过验证和经过时间考验的解决方案，以解决特定情境中的常见问题。设计模式不是一种具体的算法或代码片段，而是一种在特定情境下的解决方案模板。它们可以应用于各种编程语言和开发环境中。

设计模式通常分为三种类型：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

• 创建型模式关注对象的创建机制；
• 结构型模式关注对象之间的关系和组织方式；
• 行为型模式关注对象之间的交互和通信。

一些常见的设计模式包括单例模式、工厂模式、观察者模式、策略模式等。

一句话来说，就是：满足设计原则后，慢慢迭代出来的。

1.3、 设计模式解决的问题

使用设计模式的前提条件：具体的需求既有稳定点又有变化点。 （1）稳定点，即不会变的东西。如果全是稳定点，不需要设计模式。 （2）变化点，即经常发生变化。如果全是变化点，发生的改变没有具体的方向，这也不需要设计模式。比如游戏开发，使用脚本语言解决全是变化的点，因为脚本不需要重新编译，热更新就可以。

设计模式具体解决问题的场景：希望修改少量的代码，就可以适应需求的变化。比如，整洁的房间有一个好动的猫，如何保证房间的整洁？把猫关到笼子中，使猫在有限范围内活动。

也就是使用设计模式，让变化点在有限范围内变化。

二、设计模式基础

设计模式和开发语言相关的，利用语言的特性实现设计模式。 对于C++而言，设计模式的基础是： （1）面向对象的思想。面向对象的三个特征，封装（目的是隐藏实现细节，实现模块化）、继承（目的是希望无需修改原有类的基础上，通过继承来实现功能的扩展；C++可以多继承）、多态（静态多态是函数重载，同一个函数名但参数不同来同时表现出不同的形态；动态的多态是继承中虚函数的重写）。设计函数很多依赖于动态的多态 （2）设计原则。

2.1、C++多态之虚函数重写

假设一个基类，有两个虚函数：

class Base{
	public:
		virtual void func1(){}
		virtual void func2(){}
		int a;
};

其虚函数表和内存布局为：

此时有一个子类继承Base：

class Subject : public Base{
	public:
		virtual void func2(){}
		virtual void func3(){}
		int b;
};

其虚函数表和内存布局为：

从内存布局可以看到，有虚函数就会为该类生成虚函数表指针，虚函数表是编译的时候编译器自动帮我们自动生成的。虚函数表其实是一个一维数组，数组的元素保存的虚函数地址，通过偏移就可以调用到相对应的函数。

对于Base类而言，虚函数表有func1和func2；Subject继承Base，它的虚函数表中也会有Base的虚函数，而且虚函数表中Base的虚函数在Subject的虚函数前面。 如果Subject没有重写Base虚函数，那么虚函数表中保存的虚函数地址是一样的（如示例中的func1）。 如果Subject重写Base虚函数，那么虚函数表中会发生替换，将Subject重新的虚函数地址替换掉Base中相应虚函数的地址（如示例中的func2）。 如果Subject自己有新的虚函数，则也要加入虚函数表中。

2.2、多态的体现

（1）早绑定。假如有Base *p=new Subject；如果Subject没有重写Base虚函数，那么会将Subject类型转换为Base类型，这就是早绑定。 （2）晚绑定。假如有Base *p=new Subject；如果Subject重写了Base虚函数，那么p实际指向的是Subject对象，这就是晚绑定。

2.3、扩展方式

（1）继承。 （2）组合。

2.4、多态组合

// 继承
class Subject : public Base{
};

// 组合
class Subject{
private:
	Base base;
};

设计模式中的组合通常是指组合基类指针。好处是可以扩展Base的功能，通过多态方式让组合解耦合。

// 组合基类指针
class Subject{
private:
	Base *base;
};

三、设计原则

设计原则是设计模式还没产生它就存在了。设计原则是多代程序员总结的开发原则。

3.1、依赖倒置

实现要依赖接口，接口又可以转换为抽象，即具体实现的代码需要依赖这个抽象。具体使用接口（客户）也要依赖这个抽象。

高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖抽象； 抽象不应该依赖具体实现，具体实现应该依赖于抽象；

自动驾驶系统公司是高层，汽车生产厂商为低层，它们不应该互相依赖，一方变动另一方也会跟着变动；而应该抽象一个自动驾驶行业标准，高层和低层都依赖它；这样以来就解耦了两方的变动；自动驾驶系统、汽车生产厂商都是具体实现，它们应该都依赖自动驾驶行业标准（抽象）。

3.2、开放封闭

一个类应该对扩展（组合和继承）开放，对修改关闭。针对封装和多态。

3.3、面向接口

不将变量类型声明为某个特定的具体类，而是声明为某个接口；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；减少系统中各部分的依赖关系，从而实现“高内聚、松耦合”的类型设计方案；主要针对封装。

3.4、封装变化点

将稳定点和变化点分离，扩展修改变化点；让稳定点和变化点的实现层次分离。主要针对封装和多态。

3.5、单一职责

一个类应该仅有一个引起它变化的原因。主要针对封装。

3.6、里氏替换

子类型必须能够替换掉它的父类型；主要出现在子类覆盖父类实现，原来使用父类型的程序可能出现错误；覆盖了父类方法却没有实现父类方法的职责。 主要针对多态中的虚函数重写。

3.7、接口隔离

（1）不应该强迫客户依赖于它们不用的方法； （2）一般用于处理一个类拥有比较多的接口，而这些接口涉及到很多职责； （3）客户端不应该依赖它不需要的接口。一个类对另一个类的依赖应该建立在最小的接口上。

通过限定词隔离。类与类之间依赖接口，通过接口隔离类。

3.8、组合优于继承

继承耦合度高，组合耦合度低。

3.9、最小知道原则

让用户尽量不选择它不需要的接口。

四、总结

通过介绍设计模式的定义、分类和应用场景，以及设计原则的作用，强调了它们在软件开发中的重要性。设计模式提供了可重复利用的解决方案，帮助开发人员解决常见问题和设计挑战，并提高代码的可读性、可理解性和可维护性。设计原则则为设计模式提供了指导，如单一职责原则、开放封闭原则等。通过应用设计模式和设计原则，开发人员可以构建高质量、可维护和可扩展的软件系统，避免重复劳动，提高代码的可重用性和灵活性。