【设计模式-2】23 种设计模式的分类和功能

在软件工程领域，设计模式是解决常见设计问题的经典方案。1994 年，Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides（四人帮，GoF）在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中系统性地总结了 23 种设计模式。这些模式可以从两个维度进行分类：根据目的和根据作用范围。本文将详细探讨这两种分类方式，并逐一介绍每种模式的功能和应用场景。

1. 根据目的分类

根据设计模式的目的，GoF 将 23 种模式分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

1.1 创建型模式（Creational Patterns）

• 目的：关注对象的创建过程，旨在将对象的创建与使用分离。
• 模式：
  1. 单例模式（Singleton）
     • 功能：确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。
     • 应用场景：数据库连接池、日志管理器。
  2. 工厂方法模式（Factory Method）
     • 功能：定义一个创建对象的接口，由子类决定实例化哪个类。
     • 应用场景：框架中的对象创建，如 Spring 的 Bean 工厂。
  3. 抽象工厂模式（Abstract Factory）
     • 功能：提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族。
     • 应用场景：跨平台 UI 组件库。
  4. 建造者模式（Builder）
     • 功能：将复杂对象的构建与其表示分离。
     • 应用场景：构建复杂对象，如 HTML 文档。
  5. 原型模式（Prototype）
     • 功能：通过复制现有对象来创建新对象。
     • 应用场景：游戏中的角色复制。

1.2 结构型模式（Structural Patterns）

• 目的：关注类和对象的组合，旨在形成更大的结构。

• 模式：

  1. 适配器模式（Adapter）
     • 功能：将一个类的接口转换成客户端期望的另一个接口。
     • 应用场景：整合不兼容的接口。
  2. 装饰器模式（Decorator）
     • 功能：动态地为对象添加额外的职责。
     • 应用场景：Java I/O 流。
  3. 代理模式（Proxy）
     • 功能：为其他对象提供一个代理，以控制对其访问。
     • 应用场景：延迟加载、权限控制。
  4. 组合模式（Composite）
     • 功能：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”关系。
     • 应用场景：文件系统、UI 组件树。
  5. 桥接模式（Bridge）
     • 功能：将抽象部分与实现部分分离。
     • 应用场景：多维度变化的系统，如不同形状和颜色的图形。
  6. 外观模式（Facade）
     • 功能：为子系统中的一组接口提供一个统一的接口。
     • 应用场景：简化复杂系统的调用。
  7. 享元模式（Flyweight）
     • 功能：通过共享技术有效地支持大量细粒度对象。
     • 应用场景：文本编辑器中的字符对象。

1.3 行为型模式（Behavioral Patterns）

• 目的：关注对象之间的职责分配和通信方式。

• 模式：

  1. 观察者模式（Observer）
     • 功能：定义对象间的一对多依赖关系。
     • 应用场景：事件驱动系统，如 GUI 框架中的事件监听。
  2. 策略模式（Strategy）
     • 功能：定义一系列算法，使它们可以互相替换。
     • 应用场景：多种算法或策略的场景，如排序算法。
  3. 命令模式（Command）
     • 功能：将请求封装为对象。
     • 应用场景：撤销操作、任务队列。
  4. 状态模式（State）
     • 功能：允许对象在其内部状态改变时改变其行为。
     • 应用场景：状态机、游戏角色的行为变化。
  5. 模板方法模式（Template Method）
     • 功能：定义一个算法的骨架，将某些步骤延迟到子类中实现。
     • 应用场景：框架中的钩子方法。
  6. 迭代器模式（Iterator）
     • 功能：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各个元素。
     • 应用场景：集合类的遍历。
  7. 责任链模式（Chain of Responsibility）
     • 功能：将请求的发送者和接收者解耦。
     • 应用场景：审批流程、异常处理链。
  8. 访问者模式（Visitor）
     • 功能：将算法与对象结构分离。
     • 应用场景：编译器中的语法树遍历。
  9. 中介者模式（Mediator）
     • 功能：定义一个中介对象来封装一系列对象之间的交互。
     • 应用场景：聊天室、事件总线。
  10. 备忘录模式（Memento）
      • 功能：捕获并外部化一个对象的内部状态。
      • 应用场景：撤销操作、游戏存档。
  11. 解释器模式（Interpreter）
      • 功能：定义一个语言的文法，并定义一个解释器来解释该语言中的句子。
      • 应用场景：编译器、规则引擎。

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2. 根据作用范围分类

根据设计模式的作用范围，GoF 将 23 种模式分为两大类：类模式和对象模式。

2.1 类模式（Class Patterns）

• 作用范围：关注类与子类之间的关系，主要通过继承实现。
• 模式：
  • 工厂方法模式（Factory Method）
  • 适配器模式（Adapter，类适配器）
  • 模板方法模式（Template Method）
  • 解释器模式（Interpreter）

2.2 对象模式（Object Patterns）

• 作用范围：关注对象之间的关系，主要通过组合实现。
• 模式：
  • 单例模式（Singleton）
  • 抽象工厂模式（Abstract Factory）
  • 建造者模式（Builder）
  • 原型模式（Prototype）
  • 适配器模式（Adapter，对象适配器）
  • 装饰器模式（Decorator）
  • 代理模式（Proxy）
  • 组合模式（Composite）
  • 桥接模式（Bridge）
  • 外观模式（Facade）
  • 享元模式（Flyweight）
  • 观察者模式（Observer）
  • 策略模式（Strategy）
  • 命令模式（Command）
  • 状态模式（State）
  • 迭代器模式（Iterator）
  • 责任链模式（Chain of Responsibility）
  • 访问者模式（Visitor）
  • 中介者模式（Mediator）
  • 备忘录模式（Memento）

表 1 介绍了这 23 种设计模式的分类：

范围目的	创建型模式	结构型模式	行为型模式
类模式	工厂方法	(类）适配器	模板方法、解释器
对象模式	单例 原型 抽象工厂 建造者	代理 (对象）适配器 桥接 装饰 外观 享元 组合	策略 命令 职责链 状态 观察者 中介者 迭代器 访问者 备忘录

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总结

GoF 的 23 种设计模式从不同角度解决了软件设计中的常见问题。通过根据目的和根据作用范围两种分类方式，我们可以更清晰地理解这些模式的核心思想及其适用场景。无论是创建型、结构型还是行为型模式，亦或是类模式和对象模式，它们都为开发人员提供了强大的工具箱，帮助构建灵活、可维护和可扩展的软件系统。