随笔记录

有哪些设计模式及各自特点

2025-3-12 diaba

设计模式（Design Patterns）是软件工程中用于解决常见问题的可复用解决方案。它们是经过验证的最佳实践，能够帮助开发者提高代码的可维护性、可扩展性和可复用性。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。

以下是常见的设计模式及其特点：

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一、创建型模式（Creational Patterns）

创建型模式用于创建对象，同时隐藏创建逻辑，而不是直接使用new操作符实例化对象。这些模式可以简化对象的创建过程，并提供更好的灵活性。

1. 单例模式（Singleton Pattern）

• 特点：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
• 适用场景：全局配置管理器、线程池、缓存等。
• 优点：
  • 控制实例数量，节省系统资源。
  • 提供全局访问点，方便管理和使用。
• 缺点：
  • 如果单例实例未正确销毁，可能导致内存泄漏。
  • 单例模式可能与多线程环境冲突，需要额外处理线程安全。

2. 工厂方法模式（Factory Method Pattern）

• 特点：定义一个创建对象的接口，由子类决定实例化哪一个类。
• 适用场景：当类的实例化逻辑复杂，或者需要根据条件创建不同类型的对象时。
• 优点：
  • 将对象的创建逻辑封装在工厂类中，降低客户端与具体类的耦合。
  • 方便扩展新的产品类型。
• 缺点：
  • 每增加一个产品类，就需要增加一个对应的工厂类。

3. 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）

• 特点：创建相关或依赖对象的家族，而不需明确指定具体类。
• 适用场景：当需要创建一组相关对象时。
• 优点：
  • 将对象的创建逻辑集中管理，方便扩展和维护。
  • 提高系统的灵活性和可扩展性。
• 缺点：
  • 增加系统复杂度，抽象工厂类和具体工厂类较多。

4. 建造者模式（Builder Pattern）

• 特点：逐步构建一个复杂的对象，并允许用户只通过指定复杂对象的类型和内容就能构建它们。
• 适用场景：当对象的构造过程复杂，且需要根据不同的参数构建不同的对象时。
• 优点：
  • 将对象的构建逻辑与表示分离，方便扩展。
  • 可以灵活地构建不同类型的对象。
• 缺点：
  • 增加了系统的复杂度，代码量较多。

5. 原型模式（Prototype Pattern）

• 特点：通过复制现有对象来创建新对象，而不是通过新建实例。
• 适用场景：当对象的创建过程复杂，或者需要频繁创建相似对象时。
• 优点：
  • 提高性能，减少实例化开销。
  • 方便创建复杂对象。
• 缺点：
  • 需要实现克隆接口，增加了代码复杂度。

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二、结构型模式（Structural Patterns）

结构型模式用于处理对象之间的组合关系，通过组合多个对象来实现更复杂的功能。

1. 适配器模式（Adapter Pattern）

• 特点：将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。
• 适用场景：当需要使用一个已有的类，但其接口不符合需求时。
• 优点：
  • 提高类的复用性，让原本不兼容的类可以一起工作。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度，适配器类可能难以维护。

2. 装饰器模式（Decorator Pattern）

• 特点：动态地给一个对象添加额外的职责，而不改变其结构。
• 适用场景：当需要在运行时动态地给对象添加功能时。
• 优点：
  • 提供比继承更灵活的扩展方式。
  • 可以动态组合功能。
• 缺点：
  • 装饰器过多可能导致系统复杂度增加。

3. 代理模式（Proxy Pattern）

• 特点：为其他对象提供代理，以控制对这个对象的访问。
• 适用场景：当需要控制对对象的访问，或者延迟对象的创建时。
• 优点：
  • 可以控制对象的访问权限。
  • 提供懒加载、缓存等功能。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度，代理类可能难以维护。

4. 外观模式（Facade Pattern）

• 特点：提供一个统一的高层接口，用于访问子系统中的一群接口。
• 适用场景：当需要简化复杂子系统的使用时。
• 优点：
  • 提高系统的易用性。
  • 降低客户端与子系统之间的耦合。
• 缺点：
  • 可能隐藏子系统的复杂性，导致问题难以排查。

5. 桥接模式（Bridge Pattern）

• 特点：将抽象与实现解耦，让它们可以独立变化。
• 适用场景：当需要将接口与实现分离时。
• 优点：
  • 提高系统的可扩展性。
  • 方便独立修改接口和实现。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度。

6. 组合模式（Composite Pattern）

• 特点：将对象组合成树形结构，以表示“部分-整体”的层次结构。
• 适用场景：当需要处理对象的层次结构时。
• 优点：
  • 提高代码的复用性。
  • 方便操作树形结构。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度。

7. 享元模式（Flyweight Pattern）

• 特点：通过共享来高效地支持大量细粒度的对象。
• 适用场景：当需要创建大量相似对象时。
• 优点：
  • 提高性能，减少内存占用。
• 缺点：
  • 需要管理共享对象池，增加了代码复杂度。

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三、行为型模式（Behavioral Patterns）

行为型模式用于处理对象之间的通信和职责分配。

1. 策略模式（Strategy Pattern）

• 特点：定义一系列算法，将每个算法封装起来，并使它们可以互换。
• 适用场景：当需要在运行时动态选择算法时。
• 优点：
  • 提供算法的可切换性。
  • 提高代码的复用性。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度。

2. 模板方法模式（Template Method Pattern）

• 特点：定义一个操作中的算法骨架，将一些步骤延迟到子类中实现。
• 适用场景：当需要固定算法的某些步骤，而让其他步骤可扩展时。
• 优点：
  • 提高代码的复用性。
  • 提供统一的算法框架。
• 缺点：
  • 子类可能违反封装原则。

3. 观察者模式（Observer Pattern）

• 特点：对象间的一对多依赖关系，当一个对象改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知。
• 适用场景：当需要实现事件驱动机制时。
• 优点：
  • 实现对象间的松耦合。
  • 提供事件通知机制。
• 缺点：
  • 如果观察者过多，可能导致性能问题。

4. 迭代器模式（Iterator Pattern）

• 特点：顺序访问一个聚合对象中的各个元素，而不暴露其内部的表示。
• 适用场景：当需要遍历复杂数据结构时。
• 优点：
  • 提供统一的遍历接口。
  • 隐藏数据结构的内部细节。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度。

5. 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）

• 特点：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。
• 适用场景：当需要处理多个请求，且每个请求可能由不同的对象处理时。
• 优点：
  • 提供请求的解耦。
  • 提高系统的灵活性。
• 缺点：
  • 如果链过长，可能导致性能问题。

6. 命令模式（Command Pattern）

• 特点：将请求封装为一个对象，从而使用户可用不同的请求对客户进行参数化。
• 适用场景：当需要实现命令的撤销、重做或日志记录时。
• 优点：
  • 提供请求的封装。
  • 支持撤销和重做。
• 缺点：
  • 增加系统的复杂度。

7. 备忘录模式（Memento Pattern）

• 特点：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。
• 适用场景：当需要实现对象状态的