在軟件行業(yè)設(shè)計(jì)模型的想法最早是由四位作者提出的：埃里希·伽馬，約翰·弗里賽德斯，拉爾夫約翰遜，理查德·赫爾姆。1994年，他們四個(gè)人出版了《設(shè)計(jì)模式：可重用面向?qū)ο筌浖脑亍芬粫?，他們在書中將設(shè)計(jì)模式的概念應(yīng)用到編程中。這本書介紹了23種模式，解決了面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的各種問題，并很快成為暢銷書。由于它的名字很長，人們開始稱它為“四人幫的書”，很快就被簡稱為“GoF書”。

設(shè)計(jì)模式（Design Pattern）是軟件設(shè)計(jì)中常見問題的典型解決方案。它們就像預(yù)先制作的開發(fā)藍(lán)圖，您可以采用藍(lán)圖來解決代碼中重復(fù)出現(xiàn)的設(shè)計(jì)問題。但設(shè)計(jì)模式并不是像使用現(xiàn)成的函數(shù)或庫那樣，可以復(fù)制到程序中運(yùn)行。因?yàn)樵O(shè)計(jì)模式不是一段特定的代碼，也不是語法規(guī)范，而是一套用來提高代碼可復(fù)用性、可維護(hù)性、可讀性、穩(wěn)健性以及安全性的解決方案，是解決軟件開發(fā)中特定問題的一系列套路。

設(shè)計(jì)模式可以分為下面三大類：

創(chuàng)建型：

• Factory Method（工廠方法）
• Abstract Factory（抽象工廠）
• Builder（建造者）
• Prototype（原型）
• Singleton（單例）

結(jié)構(gòu)型：

• Adapter Class/Object（適配器）
• Bridge（橋接）
• Composite（組合）
• Decorator（裝飾）
• Facade（外觀）
• Flyweight（享元）
• Proxy（代理）

行為型：

• Interpreter（解釋器）
• Template Method（模板方法）
• Chain of Responsibility（責(zé)任鏈）
• Command（命令）
• Iterator（迭代器）
• Mediator（中介者）
• Memento（備忘錄）
• Observer（觀察者）
• State（狀態(tài)）
• Strategy（策略）
• Visitor（訪問者）

一、創(chuàng)建型

1.Factory Method（工廠方法）

(1) 思路：

定義一個(gè)用于創(chuàng)建對象的接口，讓子類決定實(shí)例化哪一個(gè)類。Factory Method 使一個(gè)類的實(shí)例化延遲到其子類。

(2) 應(yīng)用場景：

• 當(dāng)一個(gè)類不知道它所必須創(chuàng)建的對象的類的時(shí)候。
• 當(dāng)一個(gè)類希望由它的子類來指定它所創(chuàng)建的對象的時(shí)候。
• 當(dāng)類將創(chuàng)建對象的職責(zé)委托給多個(gè)幫助子類中的某一個(gè)，并且你希望將哪一個(gè)幫助子類是代理者這一信息局部化的時(shí)候。

2.Abstract Factory（抽象工廠）

(1) 思路：提供一個(gè)創(chuàng)建一系列相關(guān)或相互依賴對象的接口，而無需指定它們具體的類。

(2) 應(yīng)用場景：

• 一個(gè)系統(tǒng)要獨(dú)立于它的產(chǎn)品的創(chuàng)建、組合和表示時(shí)。
• 一個(gè)系統(tǒng)要由多個(gè)產(chǎn)品系列中的一個(gè)來配置時(shí)。
• 當(dāng)需要強(qiáng)調(diào)一系列相關(guān)的產(chǎn)品對象的設(shè)計(jì)以便進(jìn)行聯(lián)合使用時(shí)。
• 當(dāng)要提供一個(gè)產(chǎn)品類庫，而只想顯示它們的接口而不是實(shí)現(xiàn)時(shí)。

3.Builder（建造者）

思路：將一個(gè)復(fù)雜對象的構(gòu)建與它的表示分離，使得同樣的構(gòu)建過程可以創(chuàng)建不同的表示。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)創(chuàng)建復(fù)雜對象的算法應(yīng)該獨(dú)立于該對象的組成部分以及它們的裝配方式時(shí)。
• 當(dāng)構(gòu)造過程必須允許被構(gòu)造的對象有不同的表示時(shí)。

4.Prototype（原型）

思路：用原型實(shí)例指定創(chuàng)建對象的種類，并且通過拷貝這些原型創(chuàng)建新的對象。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)要實(shí)例化的類是在運(yùn)行時(shí)刻指定時(shí)，例如，通過動態(tài)裝載；或者
• 為了避免創(chuàng)建一個(gè)與產(chǎn)品類層次平行的工廠類層次時(shí)；或者
• 當(dāng)一個(gè)類的實(shí)例只能有幾個(gè)不同狀態(tài)組合中的一種時(shí)。建立一定數(shù)目的原型并克隆它們可能比每次用合適的狀態(tài)手工實(shí)例化該類更方便一些。

5.Singleton（單例）

思路：保證一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)類只能有一個(gè)實(shí)例而且客戶可以從一個(gè)眾所周知的訪問點(diǎn)訪問它時(shí)。
• 當(dāng)這個(gè)唯一實(shí)例應(yīng)該是通過子類化可擴(kuò)展的，并且客戶應(yīng)該無需更改代碼就能使用一個(gè)擴(kuò)展的實(shí)例時(shí)。

二、結(jié)構(gòu)型

6.Adapter Class/Object（適配器）

思路：將一個(gè)類的接口轉(zhuǎn)換成客戶希望的另外一個(gè)接口。Adapter 模式使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些類可以一起工作。

應(yīng)用場景：

• 想使用一個(gè)已經(jīng)存在的類，而它的接口不符合你的需求。
• 想創(chuàng)建一個(gè)可以復(fù)用的類，該類可以與其他不相關(guān)的類或不可預(yù)見的類（即那些接口可能不一定兼容的類）協(xié)同工作。
• 你想使用一些已經(jīng)存在的子類，但是不可能對每一個(gè)都進(jìn)行子類化以匹配它們的接口。對象適配器可以適配它的父類接口。

7.Bridge（橋接）

思路：將抽象部分與它的實(shí)現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨(dú)立地變化。

應(yīng)用場景：

• 不希望在抽象和它的實(shí)現(xiàn)部分之間有一個(gè)固定的綁定關(guān)系。例如這種情況可能是因?yàn)?，在程序運(yùn)行時(shí)刻實(shí)現(xiàn)部分應(yīng)可以被選擇或者切換。
• 類的抽象以及它的實(shí)現(xiàn)都應(yīng)該可以通過生成子類的方法加以擴(kuò)充。這時(shí)Bridge 模式使你可以對不同的抽象接口和實(shí)現(xiàn)部分進(jìn)行組合，并分別對它們進(jìn)行擴(kuò)充。
• 對一個(gè)抽象的實(shí)現(xiàn)部分的修改應(yīng)對客戶不產(chǎn)生影響，即客戶的代碼不必重新編譯。
• 在C++中，類的表示在類接口中是可見的，而你卻想對客戶完全隱藏抽象的實(shí)現(xiàn)部分。
• 有許多類要生成。這樣一種類層次結(jié)構(gòu)說明你必須將一個(gè)對象分解成兩個(gè)部分。Rumbaugh 稱這種類層次結(jié)構(gòu)為“嵌套的普化”（nested generalizations ）。
• 想在多個(gè)對象間共享實(shí)現(xiàn)（可能使用引用計(jì)數(shù)），但同時(shí)要求客戶并不知道這一點(diǎn)。

8.Composite（組合）

思路：將對象組合成樹形結(jié)構(gòu)以表示“部分-整體”的層次結(jié)構(gòu)。C o m p o s i t e 使得用戶對單個(gè)對象和組合對象的使用具有一致性。

應(yīng)用場景：

• 你想表示對象的部分-整體層次結(jié)構(gòu)。
• 你希望用戶忽略組合對象與單個(gè)對象的不同，用戶將統(tǒng)一地使用組合結(jié)構(gòu)中的所有對象。

9.Decorator（裝飾）

思路：動態(tài)地給一個(gè)對象添加一些額外的職責(zé)。就增加功能來說，Decorator 模式相比生成子類更為靈活。

應(yīng)用場景：

• 在不影響其他對象的情況下，以動態(tài)、透明的方式給單個(gè)對象添加職責(zé)。
• 處理那些可以回退的職責(zé)。
• 當(dāng)不能采用生成子類的方法進(jìn)行擴(kuò)充時(shí)。一種情況是，可能有大量獨(dú)立的擴(kuò)展，為支持每一種組合將產(chǎn)生大量的子類，使得子類數(shù)目呈爆炸性增長。另一種情況可能是因?yàn)轭惗x被隱藏，或類定義不能用于生成子類。

10.Facade（外觀）

思路：為子系統(tǒng)中的一組接口提供一個(gè)一致的界面，F(xiàn)acade模式定義了一個(gè)高層接口，這個(gè)接口使得這一子系統(tǒng)更加容易使用。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)我們要為一個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)提供一個(gè)簡單接口時(shí)。子系統(tǒng)往往因?yàn)椴粩嘌莼兊迷絹碓綇?fù)雜。大多數(shù)模式使用時(shí)都會產(chǎn)生更多更小的類。這使得子系統(tǒng)更具可重用性，也更容易對子系統(tǒng)進(jìn)行定制，但這也給那些不需要定制子系統(tǒng)的用戶帶來一些使用上的困難。Facade 可以提供一個(gè)簡單的缺省視圖，這一視圖對大多數(shù)用戶來說已經(jīng)足夠，而那些需要更多的可定制性的用戶可以越過facade層。
• 客戶程序與抽象類的實(shí)現(xiàn)部分之間存在著很大的依賴性。引入facade 將這個(gè)子系統(tǒng)與客戶以及其他的子系統(tǒng)分離，可以提高子系統(tǒng)的獨(dú)立性和可移植性。
• 當(dāng)我們需要構(gòu)建一個(gè)層次結(jié)構(gòu)的子系統(tǒng)時(shí)，使用facade模式定義子系統(tǒng)中每層的入口點(diǎn)。如果子系統(tǒng)之間是相互依賴的，你可以讓它們僅通過facade進(jìn)行通訊，從而簡化了它們之間的依賴關(guān)系。

11.Flyweight（享元）

思路：運(yùn)用共享技術(shù)有效地支持大量細(xì)粒度的對象。

應(yīng)用場景：

• 一個(gè)應(yīng)用程序加載了大量的對象，造成很大的存儲開銷。
• 對象的大多數(shù)狀態(tài)都可變?yōu)橥獠繝顟B(tài)。
• 如果刪除對象的外部狀態(tài)，那么可以用相對較少的共享對象取代很多組對象。
• 應(yīng)用程序不依賴于對象標(biāo)識。由于Flyweight 對象可以被共享，對于概念上明顯有別的對象，標(biāo)識測試將返回真值。

12.Proxy（代理）

思路：為其他對象提供一種代理以控制對這個(gè)對象的訪問。

應(yīng)用場景：

• 在需要用比較通用和復(fù)雜的對象指針代替簡單的指針的時(shí)候，使用Proxy模式。下面是一 些可以使用Proxy模式常見情況：
• 遠(yuǎn)程代理（Remote Proxy ）為一個(gè)對象在不同的地址空間提供局部代表。NEXTSTEP[Add94] 使用NXProxy 類實(shí)現(xiàn)了這一目的。Coplien[Cop92] 稱這種代理為“大使” （Ambassador ）。
• 虛代理（Virtual Proxy ）根據(jù)需要創(chuàng)建開銷很大的對象。在動機(jī)一節(jié)描述的ImageProxy 就是這樣一種代理的例子。
• 保護(hù)代理（Protection Proxy ）控制對原始對象的訪問。保護(hù)代理用于具有不同的訪問權(quán)限的對象。例如，在Choices 操作系統(tǒng)[ CIRM93]中KemelProxies為操作系統(tǒng)對象提供 了訪問保護(hù)。
• 智能指引（Smart Reference ）取代了簡單的指針，它在訪問對象時(shí)執(zhí)行一些附加操作。它的典型用途包括：
• 對指向?qū)嶋H對象的引用計(jì)數(shù)，這樣當(dāng)該對象沒有引用時(shí)，可以自動釋放它(也稱為SmartPointers)。
• 當(dāng)?shù)谝淮我靡粋€(gè)持久對象時(shí)，將它裝入內(nèi)存。
• 在訪問一個(gè)實(shí)際對象前，檢查是否已經(jīng)鎖定了它，以確保其他對象不能改變它。

三、行為型

13.Interpreter（解釋器）

思路：給定一個(gè)語言，定義它的文法的一種表示，并定義一個(gè)解釋器，這個(gè)解釋器使用該表示來解釋語言中的句子。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)有一個(gè)語言需要解釋執(zhí)行, 并且你可將該語言中的句子表示為一個(gè)抽象語法樹時(shí)，可使用解釋器模式。而當(dāng)存在以下情況時(shí)該模式效果最好：
• 該文法簡單對于復(fù)雜的文法, 文法的類層次變得龐大而無法管理。此時(shí)語法分析程序生成器這樣的工具是更好的選擇。它們無需構(gòu)建抽象語法樹即可解釋表達(dá)式, 這樣可以節(jié)省空間而且還可能節(jié)省時(shí)間。
• 效率不是一個(gè)關(guān)鍵問題最高效的解釋器通常不是通過直接解釋語法分析樹實(shí)現(xiàn)的, 而是首先將它們轉(zhuǎn)換成另一種形式。例如，正則表達(dá)式通常被轉(zhuǎn)換成狀態(tài)機(jī)。但即使在這種情況下, 轉(zhuǎn)換器仍可用解釋器模式實(shí)現(xiàn),該模式仍是有用的。

14.Template Method（模板方法）

思路：定義一個(gè)操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類中。TemplateMethod 使得子類可以不改變一個(gè)算法的結(jié)構(gòu)即可重定義該算法的某些特定步驟。

應(yīng)用場景：

• 一次性實(shí)現(xiàn)一個(gè)算法的不變的部分，并將可變的行為留給子類來實(shí)現(xiàn)。
• 各子類中公共的行為應(yīng)被提取出來并集中到一個(gè)公共父類中以避免代碼重復(fù)。

15.Chain of Responsibility（責(zé)任鏈）

思路：使多個(gè)對象都有機(jī)會處理請求，從而避免請求的發(fā)送者和接收者之間的耦合關(guān)系。將這些對象連成一條鏈，并沿著這條鏈傳遞該請求，直到有一個(gè)對象處理它為止。

應(yīng)用場景：

• 有多個(gè)的對象可以處理一個(gè)請求，哪個(gè)對象處理該請求運(yùn)行時(shí)刻自動確定。
• 想在不明確指定接收者的情況下，向多個(gè)對象中的一個(gè)提交一個(gè)請求。
• 可用于動態(tài)指定一個(gè)請求的對象集合。

16.Command（命令）

思路：將一個(gè)請求封裝為一個(gè)對象，從而使你可用不同的請求對客戶進(jìn)行參數(shù)化；對請求排隊(duì)或記錄請求日志，以及支持可撤消的操作。

應(yīng)用場景：

• 抽象出待執(zhí)行的動作以參數(shù)化某對象，你可用過程語言中的回調(diào)（call back）函數(shù)表達(dá)這種參數(shù)化機(jī)制。所謂回調(diào)函數(shù)是指函數(shù)先在某處注冊，而它將在稍后某個(gè)需要的時(shí)候被調(diào)用。Command 模式是回調(diào)機(jī)制的一個(gè)面向?qū)ο蟮奶娲贰?/li>
• 在不同的時(shí)刻定義、排列、執(zhí)行請求。一個(gè)Command對象可以有一個(gè)與初始請求無關(guān)的生存期。如果一個(gè)請求的接收者可用一種與地址空間無關(guān)的方式表達(dá)，那么就可將負(fù)責(zé)該請求的命令對象傳送給另一個(gè)不同的進(jìn)程并在那兒實(shí)現(xiàn)該請求。
• 支持取消操作。Command的Excute 操作可在實(shí)施操作前將狀態(tài)存儲起來，在取消操作時(shí)這個(gè)狀態(tài)用來消除該操作的影響。Command 接口必須添加一個(gè)Unexecute操作，該操作取消上一次Execute調(diào)用的效果。執(zhí)行的命令被存儲在一個(gè)歷史列表中?？赏ㄟ^向后和向前遍歷這一列表并分別調(diào)用Unexecute和Execute來實(shí)現(xiàn)重?cái)?shù)不限的“取消”和“重做”。
• 支持修改日志，這樣當(dāng)系統(tǒng)崩潰時(shí)，這些修改可以被重做一遍。在Command接口中添加裝載操作和存儲操作，可以用來保持變動的一個(gè)一致的修改日志。從崩潰中恢復(fù)的過程包括從磁盤中重新讀入記錄下來的命令并用Execute操作重新執(zhí)行它們。
• 用于在原始操作上構(gòu)造一個(gè)更高層高的操作。這樣一種結(jié)構(gòu)在支持事務(wù)( transaction)的信息系統(tǒng)中很常見。一個(gè)事務(wù)封裝了對數(shù)據(jù)的一組變動。Command模式提供了對事務(wù)進(jìn)行建模的方法。Command有一個(gè)公共的接口，使得你可以用同一種方式調(diào)用所有的事務(wù)。同時(shí)使用該模式也易于添加新事務(wù)以擴(kuò)展系統(tǒng)。

17.Iterator（迭代器）

思路：提供一種方法順序訪問一個(gè)聚合對象中各個(gè)元素, 而又不需暴露該對象的內(nèi)部表示。

應(yīng)用場景：

• 訪問一個(gè)聚合對象的內(nèi)容而無需暴露它的內(nèi)部表示。
• 支持對聚合對象的多種遍歷方法。
• 為遍歷不同的聚合結(jié)構(gòu)提供一個(gè)統(tǒng)一的接口(支持多態(tài)迭代)。

18.Mediator（中介者）

思路：用一個(gè)中介對象來封裝一系列的對象交互。中介者使各對象不需要顯式地相互引用，從而使其耦合松散，而且可以獨(dú)立地改變它們之間的交互。

應(yīng)用場景：

• 一組對象以定義良好但是復(fù)雜的方式進(jìn)行通信。產(chǎn)生的相互依賴關(guān)系結(jié)構(gòu)混亂且難以理解。
• 一個(gè)對象引用其他很多對象并且直接與這些對象通信,導(dǎo)致難以復(fù)用該對象。
• 想定制一個(gè)分布在多個(gè)類中的行為，而又不想生成太多的子類。

19.Memento（備忘錄）

思路：在不破壞封裝性的前提下，捕獲一個(gè)對象的內(nèi)部狀態(tài)，并在該對象之外保存這個(gè)狀態(tài)。這樣以后就可將該對象恢復(fù)到原先保存的狀態(tài)。

應(yīng)用場景：

• 必須保存一個(gè)對象在某一個(gè)時(shí)刻的(部分)狀態(tài), 這樣以后需要時(shí)它才能恢復(fù)到先前的狀態(tài)。
• 如果一個(gè)用接口來讓其它對象直接得到這些狀態(tài)，將會暴露對象的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)并破壞對象的封裝性。

20.Observer（觀察者）

思路：定義對象間的一種一對多的依賴關(guān)系,當(dāng)一個(gè)對象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí), 所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。

應(yīng)用場景：

• 當(dāng)一個(gè)抽象模型有兩個(gè)方面, 其中一個(gè)方面依賴于另一方面。將這二者封裝在獨(dú)立的對象中以使它們可以各自獨(dú)立地改變和復(fù)用。
• 當(dāng)對一個(gè)對象的改變需要同時(shí)改變其它對象, 而不知道具體有多少對象有待改變。
• 當(dāng)一個(gè)對象必須通知其它對象，而它又不能假定其它對象是誰。換言之, 你不希望這些對象是緊密耦合的。

21.State（狀態(tài)）

思路：允許一個(gè)對象在其內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)改變它的行為。對象看起來似乎修改了它的類。

應(yīng)用場景：

• 一個(gè)對象的行為取決于它的狀態(tài), 并且它必須在運(yùn)行時(shí)刻根據(jù)狀態(tài)改變它的行為。
• 一個(gè)操作中含有龐大的多分支的條件語句，且這些分支依賴于該對象的狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)通常用一個(gè)或多個(gè)枚舉常量表示。通常, 有多個(gè)操作包含這一相同的條件結(jié)構(gòu)。State模式將每一個(gè)條件分支放入一個(gè)獨(dú)立的類中。這使得你可以根據(jù)對象自身的情況將對象的狀態(tài)作為一個(gè)對象，這一對象可以不依賴于其他對象而獨(dú)立變化。

22.Strategy（策略）

思路：定義一系列的算法,把它們一個(gè)個(gè)封裝起來, 并且使它們可相互替換。本模式使得算法可獨(dú)立于使用它的客戶而變化。

應(yīng)用場景：

• 許多相關(guān)的類僅僅是行為有異?！安呗浴碧峁┝艘环N用多個(gè)行為中的一個(gè)行為來配置一個(gè)類的方法。
• 需要使用一個(gè)算法的不同變體。例如，你可能會定義一些反映不同的空間/時(shí)間權(quán)衡的算法。當(dāng)這些變體實(shí)現(xiàn)為一個(gè)算法的類層次時(shí) ,可以使用策略模式。
• 算法使用客戶不應(yīng)該知道的數(shù)據(jù)?？墒褂貌呗阅Ｊ揭员苊獗┞稄?fù)雜的、與算法相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 一個(gè)類定義了多種行為, 并且這些行為在這個(gè)類的操作中以多個(gè)條件語句的形式出現(xiàn)。將相關(guān)的條件分支移入它們各自的Strategy類中以代替這些條件語句。

23.Visitor（訪問者）

思路：定義一個(gè)操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類中。TemplateMethod 使得子類可以不改變一個(gè)算法的結(jié)構(gòu)即可重定義該算法的某些特定步驟。

應(yīng)用場景：

• 一次性實(shí)現(xiàn)一個(gè)算法的不變的部分，并將可變的行為留給子類來實(shí)現(xiàn)。
• 各子類中公共的行為應(yīng)被提取出來并集中到一個(gè)公共父類中以避免代碼重復(fù)。