图解常见的九种设计模式

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在软件工程中,设计模式(Design Pattern)是对软件设计中普遍存在(反复出现)的各种问题,所提出的解决方案。根据模式的目的来划分的话,GoF(Gang of Four)设计模式可以分为以下 3 种类型:

1、创建型模式:用来描述 “如何创建对象”,它的主要特点是 “将对象的创建和使用分离”。包括单例、原型、工厂方法、抽象工厂和建造者 5 种模式。

2、结构型模式:用来描述如何将类或对象按照某种布局组成更大的结构。包括代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元和组合 7 种模式。

3、行为型模式:用来识别对象之间的常用交流模式以及如何分配职责。包括模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录和解释器 11 种模式。

接下来阿宝哥将结合一些生活中的场景并通过精美的配图,来向大家介绍 9 种常用的设计模式。

一、建造者模式

建造者模式(Builder Pattern)将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分,然后根据不同需要分别创建它们,最后构建成该复杂对象。

一辆小汽车 🚗 通常由 发动机、底盘、车身和电气设备 四大部分组成。汽车电气设备的内部构造很复杂,简单起见,我们只考虑三个部分:引擎、底盘和车身。

在现实生活中,小汽车也是由不同的零部件组装而成,比如上图中我们把小汽车分成引擎、底盘和车身三大部分。下面我们来看一下如何使用建造者模式来造车子。

1.1 实现代码
class Car {
  constructor(
    public engine: string,
    public chassis: string, 
    public body: string
  ) {}
}

class CarBuilder {
  engine!: string; // 引擎
  chassis!: string; // 底盘
  body!: string; // 车身

  addChassis(chassis: string) {
    this.chassis = chassis;
    return this;
  }

  addEngine(engine: string) {
    this.engine = engine;
    return this;
  }

  addBody(body: string) {
    this.body = body;
    return this;
  }

  build() {
    return new Car(this.engine, this.chassis, this.body);
  }
}

在以上代码中,我们定义一个 CarBuilder 类,并提供了 addChassisaddEngine 和 addBody 3 个方法用于组装车子的不同部位,当车子的 3 个部分都组装完成后,调用 build 方法就可以开始造车。

1.2 使用示例
const car = new CarBuilder()
  .addEngine('v12')
  .addBody('镁合金')
  .addChassis('复合材料')
  .build();
1.3 应用场景及案例
  • 需要生成的产品对象有复杂的内部结构,这些产品对象通常包含多个成员属性。
  • 需要生成的产品对象的属性相互依赖,需要指定其生成顺序。
  • 隔离复杂对象的创建和使用,并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。
  • Github – node-sql-query:https://github.com/dresende/node-sql-query

二、工厂模式

在现实生活中,工厂是负责生产产品的,比如牛奶、面包或礼物等,这些产品满足了我们日常的生理需求。

在众多设计模式当中,有一种被称为工厂模式的设计模式,它提供了创建对象的最佳方式。工厂模式可以分为:简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式

2.1 简单工厂

简单工厂模式又叫 静态方法模式,因为工厂类中定义了一个静态方法用于创建对象。简单工厂让使用者不用知道具体的参数就可以创建出所需的 ”产品“ 类,即使用者可以直接消费产品而不需要知道产品的具体生产细节。

在上图中,阿宝哥模拟了用户购车的流程,小王和小秦分别向 BMW 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车型,接着工厂会先判断用户选择的车型,然后按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

下面我们来看一下如何使用简单工厂来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.1.1 实现代码
abstract class BMW {
  abstract run(): void;
}

class BMW730 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW730 发动咯");
  }
}

class BMW840 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW840 发动咯");
  }
}

class BMWFactory {
  public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {
    if (model === "730") {
      return new BMW730();
    } else {
      return new BMW840();
    }
  }
}

在以上代码中,我们定义一个 BMWFactory 类,该类提供了一个静态的 produceBMW() 方法,用于根据不同的模型参数来创建不同型号的车子。

2.1.2 使用示例
const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730");
const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840");

bmw730.run();
bmw840.run();
2.1.3 应用场景
  • 工厂类负责创建的对象比较少:由于创建的对象比较少,不会造成工厂方法中业务逻辑过于复杂。
  • 客户端只需知道传入工厂类静态方法的参数,而不需要关心创建对象的细节。

2.2 工厂方法

工厂方法模式(Factory Method Pattern)又称为工厂模式,也叫多态工厂(Polymorphic Factory)模式,它属于类创建型模式。

在工厂方法模式中,工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口,而工厂子类则负责生成具体的产品对象, 这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成,即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

在上图中,阿宝哥模拟了用户购车的流程,小王和小秦分别向 BMW 730 和 BMW 840 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车子,接着工厂按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

同样,我们来看一下如何使用工厂方法来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.2.1 实现代码
abstract class BMWFactory {
  abstract produceBMW(): BMW;
}

class BMW730Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW730();
  }
}

class BMW840Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW840();
  }
}

在以上代码中,我们分别创建了 BMW730Factory 和 BMW840Factory 两个工厂类,然后使用这两个类的实例来生产不同型号的车子。

2.2.2 使用示例
const bmw730Factory = new BMW730Factory();
const bmw840Factory = new BMW840Factory();

const bmw730 = bmw730Factory.produceBMW();
const bmw840 = bmw840Factory.produceBMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
2.2.3 应用场景
  • 一个类不知道它所需要的对象的类:在工厂方法模式中,客户端不需要知道具体产品类的类名,只需要知道所对应的工厂即可,具体的产品对象由具体工厂类创建;客户端需要知道创建具体产品的工厂类。
  • 一个类通过其子类来指定创建哪个对象:在工厂方法模式中,对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口,而由其子类来确定具体要创建的对象,利用面向对象的多态性和里氏代换原则,在程序运行时,子类对象将覆盖父类对象,从而使得系统更容易扩展。

2.3 抽象工厂

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern),提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口,而无须指定它们具体的类。

在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品,每一个具体工厂对应一种具体产品,工厂方法也具有唯一性,一般情况下,一个具体工厂中只有一个工厂方法或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们需要一个工厂可以提供多个产品对象,而不是单一的产品对象。

在上图中,阿宝哥模拟了用户购车的流程,小王向 BMW 工厂订购了 BMW730,工厂按照 730 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小王。而小秦向同一个 BMW 工厂订购了 BMW840,工厂按照 840 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小秦。

下面我们来看一下如何使用抽象工厂来描述上述的购车过程。

2.3.1 实现代码
abstract class BMWFactory {
  abstract produce730BMW(): BMW730;
  abstract produce840BMW(): BMW840;
}

class ConcreteBMWFactory extends BMWFactory {
  produce730BMW(): BMW730 {
    return new BMW730();
  }

  produce840BMW(): BMW840 {
    return new BMW840();
  }
}
2.3.2 使用示例
const bmwFactory = new ConcreteBMWFactory();

const bmw730 = bmwFactory.produce730BMW();
const bmw840 = bmwFactory.produce840BMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
2.3.3 应用场景
  • 一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节,这对于所有类型的工厂模式都是重要的。
  • 系统中有多于一个的产品族,而每次只使用其中某一产品族。
  • 系统提供一个产品类的库,所有的产品以同样的接口出现,从而使客户端不依赖于具体实现。

三、单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是一种常用的模式,有一些对象我们往往只需要一个,比如全局缓存、浏览器中的 window 对象等。单例模式用于保证一个类仅有一个实例,并提供一个访问它的全局访问点。

在上图中,阿宝哥模拟了借车的流程,小王临时有急事找阿宝哥借车子,阿宝哥家的车子刚好没用,就借给小王了。当天,小秦也需要用车子,也找阿宝哥借车,因为阿宝哥家里只有一辆车子,所以就没有车可借了。

对于车子来说,它虽然给生活带来了很大的便利,但养车也需要一笔不小的费用(车位费、油费和保养费等),所以阿宝哥家里只有一辆车子。

在开发软件系统时,如果遇到创建对象时耗时过多或耗资源过多,但又经常用到的对象,我们就可以考虑使用单例模式。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现单例模式。

3.1 实现代码
class Singleton {
  // 定义私有的静态属性,来保存对象实例
  private static singleton: Singleton;
  private constructor() {}

  // 提供一个静态的方法来获取对象实例
  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.singleton) {
      Singleton.singleton = new Singleton();
    }
    return Singleton.singleton;
  }
}
3.2 使用示例
let instance1 = Singleton.getInstance();
let instance2 = Singleton.getInstance();

console.log(instance1 === instance2); // true
3.3 应用场景
  • 需要频繁实例化然后销毁的对象。
  • 创建对象时耗时过多或耗资源过多,但又经常用到的对象。
  • 系统只需要一个实例对象,如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器,或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

四、适配器模式

在实际生活中,也存在适配器的使用场景,比如:港式插头转换器、电源适配器和 USB 转接口。而在软件工程中,适配器模式的作用是解决两个软件实体间的接口不兼容的问题使用适配器模式之后,原本由于接口不兼容而不能工作的两个软件实体就可以一起工作。

4.1 实现代码
interface Logger {
  info(message: string): Promise<void>;
}

interface CloudLogger {
  sendToServer(message: string, type: string): Promise<void>;
}

class AliLogger implements CloudLogger {
  public async sendToServer(message: string, type: string): Promise<void> {
    console.info(message);
    console.info('This Message was saved with AliLogger');
  }
}

class CloudLoggerAdapter implements Logger {
  protected cloudLogger: CloudLogger;

  constructor (cloudLogger: CloudLogger) {
    this.cloudLogger = cloudLogger;
  }

  public async info(message: string): Promise<void> {
    await this.cloudLogger.sendToServer(message, 'info');
  }
}

class NotificationService {
  protected logger: Logger;
  
  constructor (logger: Logger) {    
    this.logger = logger;
  }

  public async send(message: string): Promise<void> {
    await this.logger.info(`Notification sended: ${message}`);
  }
}

在以上代码中,因为 Logger 和 CloudLogger 这两个接口不匹配,所以我们引入了 CloudLoggerAdapter 适配器来解决兼容性问题。

4.2 使用示例
(async () => {
  const aliLogger = new AliLogger();
  const cloudLoggerAdapter = new CloudLoggerAdapter(aliLogger);
  const notificationService = new NotificationService(cloudLoggerAdapter);
  await notificationService.send('Hello semlinker, To Cloud');
})();
4.3 应用场景及案例
  • 以前开发的系统存在满足新系统功能需求的类,但其接口同新系统的接口不一致。
  • 使用第三方提供的组件,但组件接口定义和自己要求的接口定义不同。
  • Github – axios-mock-adapter:https://github.com/ctimmerm/axios-mock-adapter

五、观察者模式 & 发布订阅模式

5.1 观察者模式

观察者模式,它定义了一种一对多的关系,让多个观察者对象同时监听某一个主题对象,这个主题对象的状态发生变化时就会通知所有的观察者对象,使得它们能够自动更新自己。

在观察者模式中有两个主要角色:Subject(主题)和 Observer(观察者)。

在上图中,Subject(主题)就是阿宝哥的 TS 专题文章,而观察者就是小秦和小王。由于观察者模式支持简单的广播通信,当消息更新时,会自动通知所有的观察者。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现观察者模式。

5.1.1 实现代码
interface Observer {
  notify: Function;
}

class ConcreteObserver implements Observer{
  constructor(private name: string) {}

  notify() {
    console.log(`${this.name} has been notified.`);
  }
}

class Subject { 
  private observers: Observer[] = [];

  public addObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, "is pushed!");
    this.observers.push(observer);
  }

  public deleteObserver(observer: Observer): void {
    console.log("remove", observer);
    const n: number = this.observers.indexOf(observer);
    n != -1 && this.observers.splice(n, 1);
  }

  public notifyObservers(): void {
    console.log("notify all the observers", this.observers);
    this.observers.forEach(observer => observer.notify());
  }
}
5.1.2 使用示例
const subject: Subject = new Subject();
const xiaoQin = new ConcreteObserver("小秦");
const xiaoWang = new ConcreteObserver("小王");
subject.addObserver(xiaoQin);
subject.addObserver(xiaoWang);
subject.notifyObservers();

subject.deleteObserver(xiaoQin);
subject.notifyObservers();
5.1.3 应用场景及案例
  • 一个对象的行为依赖于另一个对象的状态。或者换一种说法,当被观察对象(目标对象)的状态发生改变时 ,会直接影响到观察对象的行为。
  • RxJS Subject:https://github.com/ReactiveX/rxjs/blob/master/src/internal/Subject.ts
  • RxJS Subject 文档:https://rxjs.dev/guide/subject

5.2 发布订阅模式

在软件架构中,发布/订阅是一种消息范式,消息的发送者(称为发布者)不会将消息直接发送给特定的接收者(称为订阅者)。而是将发布的消息分为不同的类别,然后分别发送给不同的订阅者。 同样的,订阅者可以表达对一个或多个类别的兴趣,只接收感兴趣的消息,无需了解哪些发布者存在。

在发布订阅模式中有三个主要角色:Publisher(发布者)、 Channels(通道)和 Subscriber(订阅者)。

在上图中,Publisher(发布者)是阿宝哥,Channels(通道)中 Topic A 和 Topic B 分别对应于 TS 专题和 Deno 专题,而 Subscriber(订阅者)就是小秦、小王和小池。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现发布订阅模式。

5.2.1 实现代码
type EventHandler = (...args: any[]) => any;

class EventEmitter {
  private c = new Map<string, EventHandler[]>();

  // 订阅指定的主题
  subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {
    let topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      this.c.set(topic, topics = []);
    }
    topics.push(...handlers);
  }

  // 取消订阅指定的主题
  unsubscribe(topic: string, handler?: EventHandler): boolean {
    if (!handler) {
      return this.c.delete(topic);
    }

    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return false;
    }
    
    const index = topics.indexOf(handler);

    if (index < 0) {
      return false;
    }
    topics.splice(index, 1);
    if (topics.length === 0) {
      this.c.delete(topic);
    }
    return true;
  }

  // 为指定的主题发布消息
  publish(topic: string, ...args: any[]): any[] | null {
    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return null;
    }
    return topics.map(handler => {
      try {
        return handler(...args);
      } catch (e) {
        console.error(e);
        return null;
      }
    });
  }
}
5.2.2 使用示例
const eventEmitter = new EventEmitter();
eventEmitter.subscribe("ts", (msg) => console.log(`收到订阅的消息:${msg}`) );

eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式");
eventEmitter.unsubscribe("ts");
eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式");
5.2.3 应用场景
  • 对象间存在一对多关系,一个对象的状态发生改变会影响其他对象。
  • 作为事件总线,来实现不同组件间或模块间的通信。
  • BetterScroll – EventEmitter:https://github.com/ustbhuangyi/better-scroll/blob/dev/packages/shared-utils/src/events.ts
  • EventEmitter 在插件化架构的应用:https://mp.weixin.qq.com/s/N4iw3bi0bxJ57J8EAp5ctQ

六、策略模式

策略模式(Strategy Pattern)定义了一系列的算法,把它们一个个封装起来,并且使它们可以互相替换。策略模式的重心不是如何实现算法,而是如何组织、调用这些算法,从而让程序结构更灵活、可维护、可扩展。

目前在一些主流的 Web 站点中,都提供了多种不同的登录方式。比如账号密码登录、手机验证码登录和第三方登录。为了方便维护不同的登录方式,我们可以把不同的登录方式封装成不同的登录策略。

下面我们来看一下如何使用策略模式来封装不同的登录方式。

6.1 实现代码

为了更好地理解以下代码,我们先来看一下对应的 UML 类图:

interface Strategy {
  authenticate(...args: any): any;
}

class Authenticator {
  strategy: any;
  constructor() {
    this.strategy = null;
  }

  setStrategy(strategy: any) {
    this.strategy = strategy;
  }

  authenticate(...args: any) {
    if (!this.strategy) {
      console.log('尚未设置认证策略');
      return;
    }
    return this.strategy.authenticate(...args);
  }
}

class WechatStrategy implements Strategy {
  authenticate(wechatToken: string) {
    if (wechatToken !== '123') {
      console.log('无效的微信用户');
      return;
    }
    console.log('微信认证成功');
  }
}

class LocalStrategy implements Strategy {
  authenticate(username: string, password: string) {
    if (username !== 'abao' && password !== '123') {
      console.log('账号或密码错误');
      return;
    }
    console.log('账号和密码认证成功');
  }
}
6.2 使用示例
const auth = new Authenticator();

auth.setStrategy(new WechatStrategy());
auth.authenticate('123456');

auth.setStrategy(new LocalStrategy());
auth.authenticate('abao', '123');
6.3 应用场景及案例
  • 一个系统需要动态地在几种算法中选择一种时,可将每个算法封装到策略类中。
  • 多个类只区别在表现行为不同,可以使用策略模式,在运行时动态选择具体要执行的行为。
  • 一个类定义了多种行为,并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现,可将每个条件分支移入它们各自的策略类中以代替这些条件语句。
  • Github – passport-local:https://github.com/jaredhanson/passport-local
  • Github – passport-oauth2:https://github.com/jaredhanson/passport-oauth2
  • Github – zod:https://github.com/vriad/zod/blob/master/src/types/string.ts

七、职责链模式

职责链模式是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受者之间的耦合关系。在职责链模式里,很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递,直到链上的某一个对象决定处理此请求。

在公司中不同的岗位拥有不同的职责与权限。以上述的请假流程为例,当阿宝哥请 1 天假时,只要组长审批就可以了,不需要流转到主管和总监。如果职责链上的某个环节无法处理当前的请求,若含有下个环节,则会把请求转交给下个环节来处理。

在日常的软件开发过程中,对于职责链来说,一种常见的应用场景是中间件,下面我们来看一下如何利用职责链来处理请求。

7.1 实现代码

为了更好地理解以下代码,我们先来看一下对应的 UML 类图:

interface IHandler {
  addMiddleware(h: IHandler): IHandler;
  get(url: string, callback: (data: any) => void): void;
}

abstract class AbstractHandler implements IHandler {
  next!: IHandler;
  addMiddleware(h: IHandler) {
    this.next = h;
    return this.next;
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.next) {
      return this.next.get(url, callback);
    }
  }
}

// 定义Auth中间件
class Auth extends AbstractHandler {
  isAuthenticated: boolean;
  constructor(username: string, password: string) {
    super();

    this.isAuthenticated = false;
    if (username === 'abao' && password === '123') {
      this.isAuthenticated = true;
    }
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.isAuthenticated) {
      return super.get(url, callback);
    } else {
      throw new Error('Not Authorized');
    }
  }
}

// 定义Logger中间件
class Logger extends AbstractHandler {
  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    console.log('/GET Request to: ', url);
    return super.get(url, callback);
  }
}

class Route extends AbstractHandler {
  URLMaps: {[key: string]: any};
  constructor() {
    super();
    this.URLMaps = {
      '/api/todos': [{ title: 'learn ts' }, { title: 'learn react' }],
      '/api/random': Math.random(),
    };
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    super.get(url, callback);

    if (this.URLMaps.hasOwnProperty(url)) {
      callback(this.URLMaps[url]);
    }
  }
}
7.2 使用示例
const route = new Route();
route.addMiddleware(new Auth('abao', '123')).addMiddleware(new Logger());

route.get('/api/todos', data => {
  console.log(JSON.stringify({ data }, null, 2));
});

route.get('/api/random', data => {
  console.log(data);
});
7.3 应用场景
  • 可处理一个请求的对象集合应被动态指定。
  • 想在不明确指定接收者的情况下,向多个对象中的一个提交一个请求。
  • 有多个对象可以处理一个请求,哪个对象处理该请求运行时自动确定,客户端只需要把请求提交到链上即可。

八、模板方法模式

模板方法模式由两部分结构组成:抽象父类和具体的实现子类。通常在抽象父类中封装了子类的算法框架,也包括实现一些公共方法以及封装子类中所有方法的执行顺序。子类通过继承这个抽象类,也继承了整个算法结构,并且可以选择重写父类的方法。

在上图中,阿宝哥通过使用不同的解析器来分别解析 CSV 和 Markup 文件。虽然解析的是不同的类型的文件,但文件的处理流程是一样的。这里主要包含读取文件、解析文件和打印数据三个步骤。针对这个场景,我们就可以引入模板方法来封装以上三个步骤的处理顺序。

下面我们来看一下如何使用模板方法来实现上述的解析流程。

8.1 实现代码

为了更好地理解以下代码,我们先来看一下对应的 UML 类图:

import fs from 'fs';

abstract class DataParser {
  data: string = '';
  out: any = null;

  // 这就是所谓的模板方法
  parse(pathUrl: string) {
    this.readFile(pathUrl);
    this.doParsing();
    this.printData();
  }

  readFile(pathUrl: string) {
    this.data = fs.readFileSync(pathUrl, 'utf8');
  }

  abstract doParsing(): void;
  
  printData() {
    console.log(this.out);
  }
}

class CSVParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.split(',');
  }
}

class MarkupParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.match(/<\w+>.*<\/\w+>/gim);
  }
}
8.2 使用示例
const csvPath = './data.csv';
const mdPath = './design-pattern.md';

new CSVParser().parse(csvPath);
new MarkupParser().parse(mdPath);
8.3 应用场景
  • 算法的整体步骤很固定,但其中个别部分易变时,这时候可以使用模板方法模式,将容易变的部分抽象出来,供子类实现。
  • 当需要控制子类的扩展时,模板方法只在特定点调用钩子操作,这样就只允许在这些点进行扩展。

九、参考资源

  • 维基百科 – 设计模式
  • Java设计模式:23种设计模式全面解析
  • Design Patterns Everyday

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