设计模式总结（C++和Python实现）

作者：尤汐_Jennica
来源：牛客网
★设计模式总结（C++和Python实现）★
前言
GoF的23种设计模式，包括创建型、结构型和行为型，其涵盖了面向对象思想的精髓以及诸多细节。本文结合《设计模式》和《大话设计模式》，并用C++和Python实现了《大话设计模式》中的23种模式案例。原文首发于个人博客Jennica.Space。
·创建型
·结构型
·行为型
案例实现
·《大话设计模式》C++版
·《大话设计模式》Python版
创建型模式
工厂方法模式（Factory Method）
工厂方法模式：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪个类。
工厂方法把简单工厂的内部判断逻辑移到了客户端代码，本来需要修改工厂类，现在是修改客户端。
简单工厂模式违背了开放-封闭原则，工厂方法模式借助多态，克服了该缺点，却保持了封装对象创建过程的优点。
抽象工厂模式（Abstract Factory）
抽象工厂模式：提供一个创建一系列相关或互相依赖对象的接口，只需要知道对象的系列，无需知道具体的对象。
在客户端中，具体工厂类只在初始化时出现一次，更改产品系列即可使用不同产品配置。
利用简单工厂类替换抽象工厂类及其子类，可以使客户端不再受不同系列的影响。结合反射机制，Assembly.Load(“程序集名称”).CreateInstance(“命名空间”.“类名”)，可以直接通过字符串创建对应类的实例。所有在简单工厂中，都可以通过反射去除switch或if，解除分支判断带来的耦合。
反射中使用的字符串可以通过配置文件传入，避免更改代码。
单例模式（Singleton）
单例模式：让类自身保证它只有一个实例，并提供一个全局访问点。
多线程下单例模式可能失效，需要采取双重锁定的的方式，确保被锁定的代码同一时刻只被一个进程访问。
饿汉式单例：即静态初始化方式，在类初始化时产生私有单例对象，会提前占用资源；渴汉式单例：在第一次被引用时将自己初始化，会产生多线程访问安全问题，需要添加双重锁定。
建造者模式（Builder）
建造者模式：将复杂对象的创建与表示分开，使得相同的创建过程可以有不同的表示。用户只需制定需要建造的类型，不需要知道建造的过程和细节。
指挥者是建造者模式中重要的类，用于控制建造过程，也可以隔离用户与建造过程的关联。
建造者隐藏了产品的组装细节，若需要改变一个产品的内部表示，可以再定义一个具体的建造者。
建造者模式是在当前创造复杂对象的算法，独立于该对象的组成部分和装配方式时适用的模式。
原型模式（Prototype）
原型模式：用原型实例指定创建对象的种类，并通过拷贝这些原型创建对象。本质是从一个对象再创建另一个可定制的对象，并且不需要知道创建细节。
原型抽象类的关键是有一个Clone()方法，原型具体类中复写Clone()创建当前对象的浅表副本。
对.Net而言，由于拷贝太常用原型抽象类并不需要，在System命名空间中提供了ICloneable接口，其中唯一的方法就是Clone()，只要实现这个接口就可以完成原型模式。
原型拷贝无需重新初始化对象，动态获取对象的运行状态。既隐藏了对象创建的细节，又提升性能。
在具体原型类中，MemberwiseClone()方法是浅拷贝，对值类型字段诸位拷贝，对引用类型只复制引用但不会把具体的对象值拷贝过来。
比起浅拷贝，深拷贝把引用对象的变量指向新对象，而不是原被引用的对象。对于需要深拷贝的每一层，都需要实现ICloneable原型模式。
数据集对象DataSet，Clone()是浅拷贝，Copy()是深拷贝。
结构型模式
代理模式（Proxy）
代理模式：为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。实际上是在访问对象时引入一定程度的间接性。
远程代理：为一个对象在不同地址空间提供局部代表，隐藏一个对象存在于不同空间的事实。如.Net加入Web引用，引入WebService，此时项目会生成WebReference的文件夹，就是代理。
虚拟代理：根据需要创建开销很大的对象，通过它存放实例化需很长时间的真实对象。HTML中的多图，就是通过虚拟代理代替了真实图片，存储路径和尺寸。
安全代理：控制真实对象的访问权限，用于对象应该拥有不同的访问权限时。
智能指引：当调用真实对象时，代理处理一些另外的事情。通过代理在访问对象时增加一些内务处理。
适配器模式（Adapter）
适配器模式：当系统数据和行为都一致，只有接口不符合时，将一个类的接口转化为客户端期望的另一个接口。
适配器模式用于服用一些现存的类，常用在第三方接口或软件开发后期双方都不易修改的时候。
在.Net中DataAdapter是用于DataSet和数据源间的适配器，Fill更改DataSet适配数据源，Update更改数据源适配DataSet。
外观模式（Facade）
外观模式：为子系统中一组接口提供一个一致的界面，即定义一个高层接口，增加子系统的易用性。
外观模式完美体现了依赖倒转原则和迪米特法则。
设计初期阶段，在MVC三层架构中，任意两层间建立外观Facade。
子系统会因不断演化变得复杂，增加外观Facade提供简单简单接口减少依赖。
在维护一个大的遗留系统时，新的开发又必须依赖其部分功能。此时，开发一个外观Facade类，从老系统中抽象出比较清晰的简单接口。让新系统只与Facade交互，而Facade与遗留代码交互所有的工作。
装饰模式（Decorator）
装饰模式：动态的给一个对象添加一些额外的职能，把所需功能按顺序串联起来并进行控制。
每个要装饰的功能放在单独的类中，并让这个类包装它所要修饰的对象。当需要执行特殊行为时，客户端就可以根据需要有选择的、有顺序的使用装饰功能包装对象了。
装饰模式有效的把类的核心职能和装饰功能区分开了，并且可以去除相关类中重复的装饰逻辑。
桥接模式（Bridge）
对象的继承关系编译时已确定，所以无法在运行时修改从父类继承的实现。由于紧耦合，父类中任何的改变必然会导致子类发生变化。当需要复用子类，但继承下来的方法不合适时，必须重写父类或用其他类替代。这种依赖性限制了灵活性和复用性。
合成／聚合复用原则：尽量使用合成和聚合而不是继承。可以保证每个类封装集中在单个任务上，不会出现规模太大的类及继承结构。
桥接模式：抽象类和其派生类分离，各自实现自己的对象。若系统可以从多角度分类，且每种分类都可能变化，则把多角度分离独立出来，降低耦合。
享元模式（Flyweight）
享元模式：运用共享技术有效支持大量细粒度对象。
在享元模式对象内部不随环境改变的共享部分是内部状态，不可共享需要通过调用传递进来的参数是外部状态。
使用享元模式的场景包括，一个应用程序产生了大量的实例对象，占用了大量内存开销；或对象的大多数状态为外部状态，删除内部状态后可以用较少的共享对象来取代组对象。
应用场景有正则表达式、浏览器、机器人指令集等。
组合模式（Composite）
组合模式：将对象的组合以树形的层次结构表示，对单个对象和组合结构的操作具有一致性。
透明方法：叶子和分枝对外接口无差别；安全方法：分枝具有添加删除叶子的接口，低层抽象接口和叶子没有。
基本对象组合成组合，组合又可以被组合，不断递归下去，在任何用到基本对象的地方都可以使用组合对象。
行为型模式
职责链模式（Chain of Responsibility）
职责链模式：使多个对象都有机会处理请求，解除请求发送者和接收者的耦合。将对象连成一条链，并沿这条链传递请求直到请求被解决。
请求交付给最小接受者，职责链中每一环保存后继的引用，使得请求有序沿链传递。通过合理设置后继以及分支关系，避免一个请求到了链末端依旧无法被处理，或因配置错误得不到处理的情况。
策略模式（Strategy）
面向对象中并非类越多越好，类的划分是为了封装，但分类的基础是抽象，具有相同属性和功能的对象的抽象集合才是类。
策略模式：定义算法家族并分别封装，他们完成的工作相同，只是实现不同，可以互相替换。继承有助于析取这些算法的公共功能。此模式让算法的变化不会影响到使用算法的用户。
策略与工厂模式结合，使客户端需要认识的类减少，耦合度更加降低。
策略模式可以简化单元测试，因为每个算法可以通过自己的接口单独测试。
只要在不同时间内应用不同的业务规则，就可以考虑用策略模式来处理这种变化的可能性。
状态模式（State）
拥有过多分支的过长方法违背了单一职责原则，而且当需求变化时修改代码往往会违背开放-封闭原则，应该将分支变成一不同小类，将状态的判断逻辑转移到小类中。
状态模式：一个对象可能拥有多种状态，当内在状态改变时允许改变行为。
状态模式的好处是将与特定状态有关的行为局部化，并将不同状态的行为分隔开。
观察者模式（Observer）
观察者模式：多个观察者对象同时监听某一主题（通知者）对象，当该主题对象状态变化时会通知所有观察者对象，使它们能更新自己。
具体观察者保存一个指向具体主题对象的引用，抽象主题保存一个抽象观察者的引用集合，提供一个可以添加或删除观察者的接口。
抽象模式中有两方面，一方面依赖另一方面，使用观察者模式可将两者独立封装，解除耦合。
观察者模式让主题和观察者双方都依赖于抽象接口，而不依赖于具体。
委托就是一种引用方法类型。委托可看作函数的类，委托的实例代表具体函数。在主题对象内声明委托，不再依赖抽象观察者。一个委托可以搭载多个相同原形和形式（参数和返回值）的方法，这些方法不需要属于一个类，且被依次唤醒。
迭代器模式（Iterator）
迭代器模式：提供一种方法顺序遍历一个聚集对象，为不同的聚集结构提供遍历所需接口，而不暴露对象内部的表示。
在高级编程语言如c#、c++、java等，都已经把迭代器模式设计进语言的一部分。
迭代器模式分离了对象的遍历行为，既不暴露内部结构又可以让外部代码透明的访问集合内部的数据。
备忘录模式（Memento）
备忘录模式：不破坏封装，获取对象内部状态并在其之外保存该对象，以便其未来恢复到当前状态。
Orginator负责创建Memento，Memento封装Originator状态细节，Caretaker负责保管和交付Memento。
备忘录模式适用于需要维护历史状态的对象，或只需要保存原类属性中的小部分。
命令模式（Command）
命令模式：将请求分装为对象，将请求和执行分开，可以用不同的请求对客户参数化。可以对请求排队、通过或否决、记录日志、撤销或重做。
基于敏捷开发原则，不要给代码添加基于猜测而实际不需要的功能，在需要的时候通过重构实现。
模板方法模式（Template Method）
模板方法模式：定义一个操作中的算法框架，将一些步骤延迟到子类中。子类在不改变框架的前提下就可以重新定义某些特定步骤。
当不变和可变的行为在子类中混到一起时，可以通过把重复的行为移到同一地方，帮助子类摆脱重复不变行为的纠缠。
中介者模式（Mediator）
中介者模式：用一个中介对象来封装一系列对象间的交互。
中介者模式在系统中易用也容易被误用，当系统中出现了多对多的交互复杂的对象群时，更应考虑设计的问题。
由于控制集中化，中介者模式将交互复杂性变成了中介者的复杂性，中介者类会比任何一个同事类都复杂。
中介者模式应用的场合有，一组对象以定义良好但复杂的方式进行通信，以及想定制一个分布在多个类中的行为却不想产生太多子类。
解释器模式（Interpreter）
解释器模式：给定一种语言，定义它文法的一种表示，再定义一个解释器，使用该表示来解释语言中的句子。
如果一种特定类型发生的频率足够高，就可以将其实例表达为一个句子，构建解释器来解析。
解释器模式就是用“迷你语言”来表现程序要解决的问题，将句子抽象为语法树。由于各个节电的类大体相同，便于修改、扩展和实现。
解释器为文法中的每条规则定义了一个类，当文法过多时将难以维护，建议使用其他技术如语法分析程序或编译器生成器处理。
访问者模式（Visitor）
访问者模式：在不改变各元素的前提下定义作用于这些类的新的操作。
访问者模式使用双分派，将数据结构和作用于结构上的操作解耦，意味着执行的操作决定于请求的种类和接收者的状态。
如果系统具有较为稳定的数据结构，又有易于变化的算法操作，则适合使用访问者模式。
对比总结
工厂方法模式：为不同子类创建不同工厂；
抽象工厂模式：为不同系列建造不同工厂；
单例模式：保证实例唯一；
建造者模式：为不同类组装出一套相同的方法；
原型模式：实现深拷贝。
代理模式：控制访问；
适配器模式：将接口转换为客户端期望的形式；
外观模式：整理出一套可用接口；
装饰模式：动态修改类的职能；
桥接模式：将多角度分类分离独立；
享元模式：共享实例；
组合模式：递归生成树形结构的组合对象。
职责链模式：按顺序让负责的对象们依次处理；
策略模式：将算法族抽象封装；
状态模式：将复杂的状态转移方式下发到每个状态内部；
观察者模式：发布和订阅；
迭代器模式：遍历容器；
备忘录模式：在对象之外备份及恢复；
命令模式：封装请求与执行分开；
模板方法模式：提炼共有方法。
中介者模式：用中介对象封装交互。
解释器模式：迷你语言；
访问者模式：解耦数据结构及操作。