设计模式学习总结（一）——设计原则与UML统一建模语言

一、概要

设计模式（Design Pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类的、代码设计经验的总结。

使用设计模式的目的：为了代码可重用性、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 设计模式使代码编写真正工程化；设计模式是软件工程的基石脉络，如同大厦的结构一样。可复用、可扩展、可维护

设计模式是GOF（Group Of Four Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides ）所著的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中所描述的23种经典设计模式，此书奠定了模式在软件行业中的地位，从此人们提到“设计模式”就是默认指“面向对象设计模式”

1.1、设计模式定义

每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的解决方案的核心
特定的问题，特定的解决套路

1.2、设计模式分类

设计模式分为三大类共23种：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

1.3、设计模式书籍

Head First设计模式(中文版)HEAD FIRST Jolt震撼大奖headfirst设计模式深入浅出讲清 java设计模式计算机编程自学入门

大话设计模式

二、UML统一建模语言

统一建模语言（UML，Unified Modeling Language）是面向对象软件的标准化建模语言。UML因其简单、统一的特点，而且能表达软件设计中的动态和静态信息，目前已成为可视化建模语言的工业标准。在软件无线电系统的开发过程中，统一建模语言可以在整个设计周期中使用，帮助设计者缩短设计时间，减少改进的成本，使软硬件分割最优。

2.1、UML分类

UML定义了5类，10种模型图、五种类图定义：

1.用例图：从用户角度描述系统功能，并指各功能的操作者。

2.静态图：包括类图，包图，对象图。

类图：描述系统中类的静态结构

包图：是包和类组成的，表示包与包之间的关系，包图描述系统的分层结构

对象图：是类图的实例

3.行为图：描述系统动态模型和对象组成的交换关系。包括状态图和活动图

活动图：描述了业务实现用例的工作流程

状态图：是描述状态到状态控制流，常用于动态特性建模

4.交互图：描述对象之间的交互关系

顺序图：对象之间的动态合作关系，强调对象发送消息的顺序，同时显示对象之间的交互

合作图：描述对象之间的协助关系

5.实现图：

配置图：定义系统中软硬件的物理体系结构

十种模型图定义：

(1)、用例图：展示系统外部的各类执行者与系统提供的各种用例之间的关系

(2)、类图：展示系统中类的静态结构

(3)、对象图：是类图的一种实例化图(对象图是对类图的一种实例化)

(4)、包图：是一种分组机制。在UML1.1版本中，包图不再看作一种独立的模型图)

2.2、类图

建模工具：Rose

COCOMO，英文全称为constructive cost model，中文为构造性成本模型。它是一种精确、易于使用的，基于模型的成本估算方法。

2.2.1、关联

在IDEA中查看类图：

显示细节

双向关联：
C1-C2：指双方都知道对方的存在，都可以调用对方的公共属性和方法。
在GOF的设计模式书上是这样描述的：虽然在分析阶段这种关系是适用的，但我们觉得它对于描述设计模式内的类关系来说显得太抽象了，因为在设计阶段关联关系必须被映射为对象引用或指针。对象引用本身就是有向的，更适合表达我们所讨论的那种关系。所以这种关系在设计的时候比较少用到，关联一般都是有向的。
使用ROSE 生成的代码是这样的：

双向关联在代码的表现为双方都拥有对方的一个指针，当然也可以是引用或者是值。

单向关联:

/**学生累*/
public class Student {
}

/**学校类*/
public class School {
    public Student tom;
}

C3->C4：表示相识关系，指C3知道C4，C3可以调用C4的公共属性和方法。没有生命期的依赖。一般是表示为一种引用。
生成代码如下：

单向关联的代码就表现为C3有C4的指针，而C4对C3一无所知。

自身关联（反身关联）：
自己引用自己，带着一个自己的引用。
代码如下：

public class Node {
    //数据
    public int data;

    public Node next;
    public Node prev;
}

就是在自己的内部有着一个自身的引用。

2.2.2、聚合/组合

当类之间有整体-部分关系的时候，我们就可以使用组合或者聚合。

聚合：是一种弱偶合的关联关系。

/**人*/
public class Person {
}

/**引擎*/
public class Engine {
}

/**车*/
public class Car {
    /**组合*/
    private Engine engine;
    public Car(Engine engine){
        this.engine=engine;
    }

    /**聚合*/
   public Person driver;
}

组合（也有人称为包容）：一般是实心菱形加实线箭头表示，如上图所示，表示的是C8被C7包容，而且C8不能离开C7而独立存在。但这是视问题域而定的，例如在关心汽车的领域里，轮胎是一定要组合在汽车类中的，因为它离开了汽车就没有意义了。但是在卖轮胎的店铺业务里，就算轮胎离开了汽车，它也是有意义的，这就可以用聚合了。在《敏捷开发》中还说到，A组合B，则A需要知道B的生存周期，即可能A负责生成或者释放B，或者A通过某种途径知道B的生成和释放。

2.2.3、依赖

依赖是一种非常弱的关联关系。

/**人*/
public class Person {
    /**吃食物*/
    public void eat(Food food){
        System.out.println("正在吃"+food.name);
    }
}

那依赖和聚合\组合、关联等有什么不同呢？
关联是类之间的一种关系，例如老师教学生，老公和老婆，水壶装水等就是一种关系。这种关系是非常明显的，在问题领域中通过分析直接就能得出。
依赖是一种弱关联，只要一个类用到另一个类，但是和另一个类的关系不是太明显的时候（可以说是“uses”了那个类），就可以把这种关系看成是依赖，依赖也可说是一种偶然的关系，而不是必然的关系，就是“我在某个方法中偶然用到了它，但在现实中我和它并没多大关系”。例如我和锤子，我和锤子本来是没关系的，但在有一次要钉钉子的时候，我用到了它，这就是一种依赖，依赖锤子完成钉钉子这件事情。

组合是一种整体-部分的关系，在问题域中这种关系很明显，直接分析就可以得出的。例如轮胎是车的一部分，树叶是树的一部分，手脚是身体的一部分这种的关系，非常明显的整体-部分关系。
上述的几种关系（关联、聚合/组合、依赖）在代码中可能以指针、引用、值等的方式在另一个类中出现，不拘于形式，但在逻辑上他们就有以上的区别。
这里还要说明一下，所谓的这些关系只是在某个问题域才有效，离开了这个问题域，可能这些关系就不成立了，例如可能在某个问题域中，我是一个木匠，需要拿着锤子去干活，可能整个问题的描述就是我拿着锤子怎么钉桌子，钉椅子，钉柜子；既然整个问题就是描述这个，我和锤子就不仅是偶然的依赖关系了，我和锤子的关系变得非常的紧密，可能就上升为组合关系（让我突然想起武侠小说的剑不离身，剑亡人亡...）。这个例子可能有点荒谬，但也是为了说明一个道理，就是关系和类一样，它们都是在一个问题领域中才成立的，离开了这个问题域，他们可能就不复存在了。

2.2.4、泛化（继承）

泛化关系：如果两个类存在泛化的关系时就使用，例如父和子，动物和老虎，植物和花等。
ROSE生成的代码很简单，如下：

/**学生累*/
public class Student extends Person {
}

在UML建模中，对类图上出现元素的理解是至关重要的。开发者必须理解如何将类图上出现的元素转换到Java中。以java为代表结合网上的一些实例，下面是个人一些基本收集与总结：

 

基本元素符号：

1. 类（Classes）

类包含3个组成部分。第一个是Java中定义的类名。第二个是属性（attributes）。第三个是该类提供的方法。

属性和操作之前可附加一个可见性修饰符。加号（+）表示具有公共可见性。减号（-）表示私有可见性。#号表示受保护的可见性。省略这些修饰符表示具有package（包）级别的可见性。如果属性或操作具有下划线，表明它是静态的。在操作中，可同时列出它接受的参数，以及返回类型，如下图所示：

2. 包（Package）

包是一种常规用途的组合机制。UML中的一个包直接对应于Java中的一个包。在Java中，一个包可能含有其他包、类或者同时含有这两者。进行建模时，你通常拥有逻辑性的包，它主要用于对你的模型进行组织。你还会拥有物理性的包，它直接转换成系统中的Java包。每个包的名称对这个包进行了惟一性的标识。

3. 接口（Interface）

接口是一系列操作的集合，它指定了一个类所提供的服务。它直接对应于Java中的一个接口类型。接口既可用下面的那个图标来表示（上面一个圆圈符号，圆圈符号下面是接口名，中间是直线，直线下面是方法名），也可由附加了<<interface>>的一个标准类来表示。通常，根据接口在类图上的样子，就能知道与其他类的关系。

关系：

1. 依赖（Dependency）

实体之间一个“使用”关系暗示一个实体的规范发生变化后，可能影响依赖于它的其他实例。更具体地说，它可转换为对不在实例作用域内的一个类或对象的任何类型的引用。其中包括一个局部变量，对通过方法调用而获得的一个对象的引用（如下例所示），或者对一个类的静态方法的引用（同时不存在那个类的一个实例）。也可利用“依赖”来表示包和包之间的关系。由于包中含有类，所以你可根据那些包中的各个类之间的关系，表示出包和包的关系。

2. 关联（Association）

实体之间的一个结构化关系表明对象是相互连接的。箭头是可选的，它用于指定导航能力。如果没有箭头，暗示是一种双向的导航能力。在Java中，关联转换为一个实例作用域的变量，就像图E的“Java”区域所展示的代码那样。可为一个关联附加其他修饰符。多重性（Multiplicity）修饰符暗示着实例之间的关系。在示范代码中，Employee可以有0个或更多的TimeCard对象。但是，每个TimeCard只从属于单独一个Employee。

3. 聚合（Aggregation）

聚合是关联的一种形式，代表两个类之间的整体/局部关系。聚合暗示着整体在概念上处于比局部更高的一个级别，而关联暗示两个类在概念上位于相同的级别。聚合也转换成Java中的一个实例作用域变量。

关联和聚合的区别纯粹是概念上的，而且严格反映在语义上。聚合还暗示着实例图中不存在回路。换言之，只能是一种单向关系。

4. 组合（Composition）

合成是聚合的一种特殊形式，暗示“局部”在“整体”内部的生存期职责。合成也是非共享的。所以，虽然局部不一定要随整体的销毁而被销毁，但整体要么负责保持局部的存活状态，要么负责将其销毁。

局部不可与其他整体共享。但是，整体可将所有权转交给另一个对象，后者随即将承担生存期职责。Employee和TimeCard的关系或许更适合表示成“合成”，而不是表示成“关联”。

5. 泛化（Generalization）

泛化表示一个更泛化的元素和一个更具体的元素之间的关系。泛化是用于对继承进行建模的UML元素。在Java中，用extends关键字来直接表示这种关系。

6. 实现（Realization）

实例关系指定两个实体之间的一个合同。换言之，一个实体定义一个合同，而另一个实体保证履行该合同。对Java应用程序进行建模时，实现关系可直接用implements关键字来表示。

引用地址：http://www.cnblogs.com/riky/archive/2007/04/07/704298.html

三、设计原则

2.1、单一职责原则（SRP）

一个类，只有一个引起它变化的原因。应该只有一个职责。每一个职责都是变化的一个轴线，如果一个类有一个以上的职责，这些职责就耦合在了一起。这会导致脆弱的设计。当一个职责发生变化时，可能会影响其它的职责。另外，多个职责耦合在一起，会影响复用性。例如：要实现逻辑和界面的分离。

一个类只担任一种角色。

下面这个jsp页面就不符合SRP原则，它要担任展示UI与访问数据库两个角色。分层是一种解决办法。

<%@ page contentType="text/html; charset=gb2312" %>
<%@ page language="java" %>
<%@ page import="com.mysql.jdbc.Driver" %>
<%@ page import="java.sql.*" %>
<%
//加载驱动程序
String driverName="com.mysql.jdbc.Driver";
//数据库信息
String userName="root";
//密码
String userPasswd="123";
//数据库名
String dbName="Student";
//表名
String tableName="stu_info";
//将数据库信息字符串连接成为一个完整的url（也可以直接写成url，分开写是明了可维护性强）   

String url="jdbc:mysql://localhost/"+dbName+"?user="+userName+"&password="+userPasswd;
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver").newInstance();
Connection conn=DriverManager.getConnection(url);
Statement stmt = conn.createStatement();
String sql="SELECT * FROM "+tableName;
ResultSet rs = stmt.executeQuery(sql);
out.print("id");
out.print("|");
out.print("name");
out.print("|");
out.print("phone");
out.print("<br>");
while(rs.next()) {
out.print(rs.getString(1)+" ");
out.print("|");
out.print(rs.getString(2)+" ");
out.print("|");
out.print(rs.getString(3));
out.print("<br>");
}
out.print("<br>");
out.print("ok， Database Query Successd！");
rs.close();
stmt.close();
conn.close();
%>  

2.2、开闭原则（Open Close Principle OCP）

开闭原则就是说对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。所以一句话概括就是：为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类，后面的具体设计中我们会提到这点。

美猴王说："'皇帝轮流做，明年到我家。'只教他搬出去，将天宫让于我！"对于这项挑战，太白金星给玉皇大帝提出的建议是："降一道招安圣旨，宣上界来…，一则不劳师动众，二则收仙有道也。

不要随意修改顶层接口，可以通过继承或其它办法扩展出新的内容。

功能实现应该对扩展开放，对修改关闭，应该通过扩展来实现（应对）变化，而不是通过修改已有的代码来实现变化的内容。

参考

2.3、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle LSP）

里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。 LSP是继承复用的基石，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对“开-闭”原则的补充。实现“开-闭”原则的关键步骤就是抽象化。而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。老鼠的儿子会打洞。

        Person tom=new Student();
        Object mark=new Teacher();

子类可以覆盖父类的抽象方法，但不能覆盖非抽象方法。

如果需要覆盖父类的非抽象方法，参数的类型必须要比父类的宽松，返回值类型必须要比父类严格。

子类可以拥有自己的成员方法。

在项目中，采用里氏替换原则时，尽量避免子类的“个性”，一旦子类有了“个性”，这个子类和父类之间的关系就难调和，把子类当做父类使用，子类的“个性”被抺杀了，把子类单独作为一个业务来使用，则会让代码间的耦合关系变得扑朔迷离–缺乏类替换的标准。

2.4、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle DIP）

所谓依赖倒置原则（Dependence Inversion Principle）就是要依赖于抽象，不要依赖于具体。简单的说就是要求对抽象进行编程，不要对实现进行编程，这样就降低了客户与实现模块间的耦合。
实现开闭原则的关键是抽象化，并且从抽象化导出具体化实现，如果说开闭原则是面向对象设计的目标的话，那么依赖倒转原则就是面向对象设计的主要手段。 细节应该依赖抽象，抽象应该依赖抽象，抽象不应该依赖细节

/**人*/
public class Person {
    /**吃食物*/
    public void eat(Food food){  //依赖具体
        System.out.println("正在吃"+food.name);
        Person tom=new Student();
        Object mark=new Teacher();
    }

    //Student继承Person
    //依赖抽象
    public void Show(Person person){
    }
    //依赖具体
    public void Hello(Student student){
    }
}

2.5、接口隔离原则（Interface Segregation Principle ISP）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。所以上文中多次出现：降低依赖，降低耦合。

/**可飞的*/
interface IFlyable{
    public void fly();
}

/**下蛋*/
interface  ILayeggAble{
    public void Layegg();
}

interface  IBirdable{
    public void fly();
    public void Layegg();
}

IBirdable如果被超人（SuperMan）实现则除了要实现fly方法飞还要实现下蛋接方法，超人下蛋不太合适。

2.6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

合成复用原则就是指在一个新的对象里通过关联关系（包括组合关系和聚合关系）来使用一些已有的对象，使之成为新对象的一部分；新对象通过委派调用已有对象的方法达到复用其已有功能的目的。简言之：要尽量使用组合/聚合关系，少用继承。

2.7、迪米特法则（最少知道原则）（Demeter Principle）

为什么叫最少知道原则，就是说：一个实体应当尽量少的与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。也就是说一个软件实体应当尽可能少的与其他实体发生相互作用。这样，当一个模块修改时，就会尽量少的影响其他的模块，扩展会相对容易，这是对软件实体之间通信的限制，它要求限制软件实体之间通信的宽度和深度。

小结：

1、单一职责原则
二层含义，一是避免相同的职责分散到不同的类中，二是避免一个类承担太多职责。减少类的耦合，提高类的复用性。

2、接口隔离原则

表明客户端不应该被强迫实现一些他们不会使用的接口，应该把胖接口中额方法分组，然后用多个接口代替它，每个接口服务于一个子模块。简单说，就是使用多个专门的接口比使用单个接口好很多。

该原则观点如下：
  a，一个类对另外一个类的依赖性应当是建立在最小的接口上

b，客户端程序不应该依赖它不需要的接口方法。

3、开放-关闭原则

open模块的行为必须是开放的、支持扩展的，而不是僵化的。

closed在对模块的功能进行扩展时，不应该影响或大规模影响已有的程序模块。一句话概括：一个模块在扩展性方面应该是开放的而在更改性方面应该是封闭的。

核心思想就是对抽象编程，而不对具体编程。

4、里氏替换原则

子类型必须能够替换掉他们的父类型、并出现在父类能够出现的任何地方。

主要针对继承的设计原则

1，父类的方法都要在子类中实现或者重写，并且派生类只实现其抽象类中生命的方法，而不应当给出多余的,方法定义或实现。
2，在客户端程序中只应该使用父类对象而不应当直接使用子类对象，这样可以实现运行期间绑定。

5、依赖倒置原则

上层模块不应该依赖于下层模块，他们共同依赖于一个抽象(父类不能依赖子类，他们都要依赖抽象类)
抽象不能依赖于具体，具体应该要依赖于抽象。

四、示例与资料

示例：https://coding.net/u/zhangguo5/p/DP01/git

视频：https://www.bilibili.com/video/av15867320/

五、视频与作业

5.1、作业

1、使用java代码实现下图，理解他们之间的关系

2、请记住类之间的关系

3、请记住5大设计原则并作简单描述