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【60天备战软考高级系统架构设计师——第八天：设计模式概述】

article 2024/9/21 16:46:29

设计模式（Design Patterns）

设计模式是一套被反复使用的代码设计经验总结，可以帮助开发人员解决软件开发过程中遇到的常见问题。它们为软件设计提供了一些通用的解决方案，能够提高代码的可重用性、可维护性和可读性。设计模式主要分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

1. 创建型模式（Creational Patterns）

创建型模式主要关注对象的创建过程，目的是将对象的创建过程与使用过程分离，降低代码的耦合性。以下是几种常见的创建型模式：

单例模式（Singleton Pattern） ：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。

应用场景：需要保证全局只存在一个实例的场景，如线程池、缓存、配置对象等。
优点：减少内存开销，避免频繁创建和销毁对象。

示例：

public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    
    private Singleton() {}
    
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

工厂模式（Factory Pattern） ：定义一个用于创建对象的接口，但由子类决定实例化哪一个类。工厂模式使得一个类的实例化延迟到子类。

应用场景：代码中需要根据不同条件创建不同的对象时使用。
优点：增加了代码的灵活性和扩展性。

示例：

public interface Product {
    void create();
}

public class ConcreteProductA implements Product {
    public void create() {
        System.out.println("Product A created.");
    }
}

public class ProductFactory {
    public Product createProduct(String type) {
        if (type.equals("A")) {
            return new ConcreteProductA();
        }
        return null;
    }
}

2. 结构型模式（Structural Patterns）

结构型模式主要关注类或对象的组合，它们帮助开发者建立适当的类结构，以便在类和对象之间建立关系。

适配器模式（Adapter Pattern） ：将一个类的接口转换为客户期望的另一个接口。适配器模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以协同工作。

应用场景：需要将现有类的接口转换为另一个接口时使用，如不同支付方式的适配。
优点：提高了类的兼容性，复用性强。

示例：

public interface Target {
    void request();
}

public class Adaptee {
    public void specificRequest() {
        System.out.println("Specific Request.");
    }
}

public class Adapter implements Target {
    private Adaptee adaptee;

    public Adapter(Adaptee adaptee) {
        this.adaptee = adaptee;
    }

    @Override
    public void request() {
        adaptee.specificRequest();
    }
}

装饰器模式（Decorator Pattern） ：动态地给一个对象增加一些额外的职责，就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。

应用场景：当需要扩展类的功能时，且不能使用继承来实现扩展时使用。
优点：装饰器模式提供了比继承更灵活的扩展功能。

示例：

public interface Component {
    void operation();
}

public class ConcreteComponent implements Component {
    @Override
    public void operation() {
        System.out.println("Concrete Component Operation.");
    }
}

public class Decorator implements Component {
    private Component component;

    public Decorator(Component component) {
        this.component = component;
    }

    @Override
    public void operation() {
        component.operation();
        System.out.println("Added Decorator functionality.");
    }
}

3. 行为型模式（Behavioral Patterns）

行为型模式关注对象之间的通信和行为，降低耦合性，增强灵活性。

观察者模式（Observer Pattern） ：定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象状态发生改变时，所有依赖它的对象都会得到通知并自动更新。

应用场景：一个对象的改变需要通知其他对象，但不知道具体有多少对象需要被通知时使用。
优点：支持广播通信，符合开放-封闭原则。

示例：

public interface Observer {
    void update();
}

public class ConcreteObserver implements Observer {
    @Override
    public void update() {
        System.out.println("Observer updated.");
    }
}

public class Subject {
    private List<Observer> observers = new ArrayList<>();

    public void addObserver(Observer observer) {
        observers.add(observer);
    }

    public void notifyObservers() {
        for (Observer observer : observers) {
            observer.update();
        }
    }
}

策略模式（Strategy Pattern） ：定义一系列算法，并将它们封装起来使它们可以相互替换。策略模式让算法的变化不会影响到使用算法的客户。

应用场景：需要在运行时改变算法时使用，如电商系统中的不同促销策略。
优点：算法可以自由切换，避免多重条件语句。

示例：

public interface Strategy {
    void execute();
}

public class ConcreteStrategyA implements Strategy {
    @Override
    public void execute() {
        System.out.println("Strategy A executed.");
    }
}

public class Context {
    private Strategy strategy;

    public void setStrategy(Strategy strategy) {
        this.strategy = strategy;
    }

    public void executeStrategy() {
        strategy.execute();
    }
}

例题及解析

工厂模式的主要作用是什么？
A. 提供对象的缓存机制
B. 提供一种创建对象的接口，而无需指定具体的类
C. 动态加载类
D. 管理多个单例对象

答案：B

解析：工厂模式（Factory Pattern）是一种创建型设计模式，提供了一种创建对象的接口，但不指定创建的具体类。它通过将对象的创建过程封装在一个工厂类中，使得客户端代码只需调用工厂方法来获取对象，而不需要知道对象的具体实现类。这使得代码更具灵活性和可扩展性。
装饰者模式的主要优点是什么？
A. 提高系统的安全性
B. 动态地给对象添加职责而不影响其他对象
C. 提供多态性
D. 提供对象的缓存机制

答案：B

解析：装饰者模式（Decorator Pattern）是一种结构型设计模式，允许向一个对象动态地添加职责或功能，而不会影响其他同类对象的功能。它使用装饰者类将这些新功能包装起来，并且这些类可以在不修改其他代码的情况下互相组合使用。这种模式遵循开闭原则（对扩展开放，对修改封闭）。
代理模式的主要应用场景是什么？
A. 需要保护对象的访问
B. 动态地给对象添加职责
C. 在编译时确定类的实例
D. 提供数据库连接池

答案：A

解析：代理模式（Proxy Pattern）是一种结构型设计模式，它提供了一个代理对象来控制对某个对象的访问。代理对象可以在不改变目标对象的情况下添加额外的功能，比如权限控制、延迟加载、日志记录等。它的主要应用场景包括远程代理、安全代理、虚拟代理等。
组合模式的主要优点是什么？
A. 提供系统性能
B. 让客户端可以一致地使用组合对象和单个对象
C. 提供对象的线程安全性
D. 动态切换算法

答案：B

解析：组合模式（Composite Pattern）是一种结构型设计模式，它允许客户端以统一的方式处理单个对象和组合对象。这使得树状结构的操作更容易实现，因为客户端代码可以递归地处理复杂的对象结构，而无需区分单个对象和组合对象。它的主要优点是简化客户端代码，提高代码的灵活性和可扩展性。
责任链模式的主要应用场景是什么？
A. 需要确保请求的顺序处理
B. 请求的发送者和接收者之间需要解耦
C. 需要全局对象的唯一实例
D. 需要高性能的算法

答案：B

解析：责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）是一种行为型设计模式，它将请求沿着一个处理者链传递，直到有一个处理者处理该请求。它的主要优点是请求的发送者和接收者解耦，可以动态地改变处理者链或在运行时增加新的处理者。主要应用场景包括事件处理系统、权限过滤器等。