《軟件建模與實踐》課件-6-軟件設(shè)計模式-創(chuàng)建型模式

課程內(nèi)容創(chuàng)建型模式中的單例模式和工廠方法模式簡單工廠模式、抽象工廠模式、建造者模式的定義和結(jié)構(gòu)進(jìn)行實例分析和優(yōu)缺點的對比課程目的掌握創(chuàng)建型設(shè)計模式的常見結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及適用場景重點單例模式、工廠方法模式抽象工廠模式的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用難點抽象工廠模式的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用6.1創(chuàng)建型模式概述創(chuàng)建型模式由兩個主導(dǎo)思想構(gòu)成，一是將系統(tǒng)使用的具體類封裝起來，二是隱藏這些具體類的實例創(chuàng)建和結(jié)合的方式。因此，創(chuàng)建型模式又分為對象創(chuàng)建型模式和類創(chuàng)建型模式。對象創(chuàng)建型模式處理對象的創(chuàng)建，類創(chuàng)建型模式處理類的創(chuàng)建。詳細(xì)地說，對象創(chuàng)建型模式把對象創(chuàng)建的一部分推遲到另一個對象中，而類創(chuàng)建型模式將它對象的創(chuàng)建推遲到子類中創(chuàng)建型模式關(guān)注對象的創(chuàng)建過程。模式對類的實例化過程進(jìn)行了抽象，能夠?qū)④浖K中對象的創(chuàng)建和對象的使用分離，對用戶隱藏了類的實例的創(chuàng)建細(xì)節(jié)。創(chuàng)建型模式描述如何將對象的創(chuàng)建和使用分離，讓用戶在使用對象時無需關(guān)心對象的創(chuàng)建細(xì)節(jié)，從而降低系統(tǒng)的耦合度，讓設(shè)計方案更易于修改和擴(kuò)展6.1創(chuàng)建型模式概述創(chuàng)建型模式一覽表6.2單例模式單例模式概述單例模式的原理與框架餓漢式單例與懶漢式單例單例模式的應(yīng)用實例單例模式的優(yōu)缺點與適用場景6.2單例模式當(dāng)用戶打開回收站查看信息后，如果試圖再次打開一個新的回收站時，會彈出新的回收站窗口嗎？Windows系統(tǒng)并不會彈出一個新的回收站窗口，也就是說在整個系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)只負(fù)責(zé)維護(hù)唯一的一個回收站的實例，因為在實際使用過程中需要同時打開兩個回收站窗口的情況是不存在的6.2.1單例模式的定義如何確保一個類有且只有一個實例并且這個實例易于被訪問？(1)全局變量：可以確保對象隨時能被訪問，但不能防止實例化多個對象(2)讓類自身負(fù)責(zé)創(chuàng)建和保存它的唯一實例，不但保證不能創(chuàng)建其他實例，而且提供一個訪問該實例的方法6.2.1單例模式的定義單例模式的定義對象創(chuàng)建型模式單例模式：確保一個類只有一個實例，并提供一個全局訪問點來訪問這個唯一實例。SingletonPattern:Ensureaclasshasonlyoneinstance,andprovideaglobalpointofaccesstoit.6.2.2單例模式的原理與框架單例模式的結(jié)構(gòu)圖6-1單例模式的類結(jié)構(gòu)圖6.2.2單例模式的原理與框架單例模式的結(jié)構(gòu)單例模式包含以下3要素：靜態(tài)類成員變量私有的構(gòu)造方法全局訪問方法餓漢式單例與懶漢式單例餓漢式單例類餓漢式單例類(EagerSingleton)圖6-2餓漢式單例模型結(jié)構(gòu)圖餓漢式單例與懶漢式單例餓漢式單例類缺點類裝載過程即完成實例化，如果整個應(yīng)用生命周期內(nèi)沒用使用實例，就會資源浪費在需要通過個性化參數(shù)定制實例時，這種方法將不會受到支持，原因是沒用辦法向構(gòu)造方法傳遞不同的參數(shù)餓漢式單例與懶漢式單例懶漢式單例類與雙重檢查鎖定懶漢式單例類(LazySingleton)圖6-3懶漢式單例模型結(jié)構(gòu)圖餓漢式單例與懶漢式單例餓漢式單例類與懶漢式單例類比較餓漢式單例類：無須考慮多個線程同時訪問的問題，調(diào)用速度和反應(yīng)時間比懶漢式單例快，但資源利用效率不如懶漢式單例。系統(tǒng)加載時間可能會比較長懶漢式單例類：實現(xiàn)了延遲加載，必須處理好多個線程同時訪問的問題，通過雙重檢查鎖定等機(jī)制進(jìn)行控制，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)性能受到一定影響6.2.3單例模式的應(yīng)用實例實例說明某軟件公司開發(fā)大型的企業(yè)級應(yīng)用，常常需要同時連接不同的數(shù)據(jù)庫(如連接Oracle和Sybase)。開發(fā)人員欲創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫連接池，將指定個數(shù)的(如2個或3個)數(shù)據(jù)庫連接對象存儲在連接池中，客戶端代碼可以從池中隨機(jī)取一個連接對象來連接數(shù)據(jù)庫。根據(jù)資源文件提供的信息，創(chuàng)建多個連接池類的實例，每一個實例都是一個特定數(shù)據(jù)庫的連接池。連接池管理類實例為每個連接池實例取一個名字，通過不同的名字來管理不同的連接池。對于同一個數(shù)據(jù)庫有多個用戶使用不同的名稱和密碼訪問的情況，也可以通過資源文件處理，即在資源文件中設(shè)置多個具有相同URL地址，但具有不同用戶名和密碼的數(shù)據(jù)庫連接信息6.2.3單例模式的應(yīng)用實例實例類圖圖6-4數(shù)據(jù)庫連接池單例模式結(jié)構(gòu)圖6.2.4單例模式的優(yōu)點模式優(yōu)點單例模式為了確保所有對象都訪問唯一實例，會阻止其他對象實例化自己的單例對象的副本在系統(tǒng)內(nèi)存中只存在一個對象，因此可以節(jié)約系統(tǒng)資源允許可變數(shù)目的實例（多例類）6.2.4單例模式的缺點模式缺點單例模式缺少擴(kuò)展層，因此擴(kuò)展有很大的困難單例類的職責(zé)過重，因為單例類既是工廠角色，提供了工廠方法，同時又充當(dāng)了產(chǎn)品角色，包含一些業(yè)務(wù)方法在使用過程中運(yùn)用垃圾自動回收機(jī)制，可能會導(dǎo)致共享的單例對象的狀態(tài)丟失6.2.4單例模式的適用環(huán)境模式適用環(huán)境系統(tǒng)只需要一個實例對象，或者因為資源消耗太大而只允許創(chuàng)建一個對象客戶調(diào)用類的單個實例只允許使用一個公共訪問點，除了該公共訪問點，不能通過其他途徑訪問該實例6.2.4單例模式的適用環(huán)境注意問題不要使用單例模式存取全局變量，因為這樣會破壞封裝性，最好將全局變量放到對應(yīng)類的靜態(tài)成員中不要將數(shù)據(jù)庫連接做成單例，因為一個系統(tǒng)可能會與數(shù)據(jù)庫有多個連接，并且在有連接池的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能及時釋放連接6.3工廠模式簡單工廠模式工廠方法模式6.3工廠模式工廠模式用于封裝和管理對象的創(chuàng)建，是一種創(chuàng)建型模式。工廠模式一般分為簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式三類.6.3.1簡單工廠模式1.簡單工廠模式的定義簡單工廠模式：又稱為靜態(tài)工廠模式，它屬于類創(chuàng)建型模式。在簡單工廠模式中，可以根據(jù)參數(shù)的不同返回不同類的實例，模式會專門定義一個類來負(fù)責(zé)創(chuàng)建其他類的實例，被創(chuàng)建的實例通常都具有共同的父類。6.3.1簡單工廠模式2.簡單工廠模式的結(jié)構(gòu)圖6-5簡單工廠模式類圖6.3.1簡單工廠模式2.簡單工廠模式的結(jié)構(gòu)簡單工廠模式包含以下3個角色：Factory(工廠角色)Product(抽象產(chǎn)品角色)ConcreteProduct(具體產(chǎn)品角色)6.3.1簡單工廠模式3.應(yīng)用實例：選擇任意一種面向?qū)ο笳Z言實現(xiàn)一個四則運(yùn)算計算器控制臺程序，要求輸入兩個數(shù)和運(yùn)算符號，得到結(jié)果圖6-6簡單工廠模式設(shè)計的四則運(yùn)算計算器類結(jié)構(gòu)圖6.3.1簡單工廠模式簡單工廠模式優(yōu)點實現(xiàn)了對象創(chuàng)建和使用的分離客戶端只需要知道具體產(chǎn)品類所對應(yīng)的參數(shù)，無需了解所創(chuàng)建的具體產(chǎn)品類的類名可以通過引入XML等格式的配置文件，在不修改任何客戶端代碼的情況下更換和增加新的具體產(chǎn)品類，一定程度上提高了系統(tǒng)的靈活性6.3.1簡單工廠模式簡單工廠模式缺點工廠類集中了所有產(chǎn)品的創(chuàng)建，職責(zé)過重，一旦不能正常工作，整個系統(tǒng)都要受到影響引入新的工廠類時，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和理解難度系統(tǒng)擴(kuò)展困難，一旦添加新產(chǎn)品就不得不修改工廠邏輯由于使用了靜態(tài)工廠方法，因此工廠角色無法形成基于繼承的等級結(jié)構(gòu)，工廠類不能得到很好地擴(kuò)展6.3.1簡單工廠模式簡單工廠模式適用環(huán)境工廠類負(fù)責(zé)創(chuàng)建的對象比較少，不會造成工廠方法中的業(yè)務(wù)邏輯太過復(fù)雜客戶端只需要傳入工廠類的參數(shù)，對于如何創(chuàng)建對象并不關(guān)心：客戶端不需要關(guān)心創(chuàng)建細(xì)節(jié)，甚至連類名都不需要記住，只需要知道該類所對應(yīng)的參數(shù)6.3.2工廠方法模式1.工廠方法模式的定義工廠方法模式：工廠方法模式是一種常用的類創(chuàng)建型設(shè)計模式。此模式的核心是封裝類中變化的部分，提取其中個性化善變的部分為獨立類，通過依賴注入以達(dá)到解耦、復(fù)用和方便后期維護(hù)拓展的目的。6.3.2工廠方法模式2.工廠方法模式的結(jié)構(gòu)圖6-7工廠方法模式結(jié)構(gòu)圖6.3.2工廠方法模式2.工廠方法模式的結(jié)構(gòu)工廠方法模式包含以下4個角色：Product(抽象產(chǎn)品)ConcreteProduct(具體產(chǎn)品)Factory(抽象工廠)ConcreteFactory(具體工廠)6.3.2工廠方法模式3.應(yīng)用實例：在保持運(yùn)算基類、加法類、減法類、乘法類、除法類等幾個方法不變的情況下，修改簡單工廠模式中的運(yùn)算工廠類圖6-8基于工廠模式的簡單計算器類結(jié)構(gòu)圖6.3.2工廠方法模式結(jié)果及分析為什么要使用工廠來創(chuàng)建對象？這是因為要封裝對象的創(chuàng)建過程。在工廠方法模式中，工廠方法用來創(chuàng)建客戶所需要的產(chǎn)品，同時還向客戶隱藏了哪種具體產(chǎn)品類將被實例化這一細(xì)節(jié)，用戶只需要關(guān)心所需產(chǎn)品對應(yīng)的工廠，無需關(guān)心創(chuàng)建細(xì)節(jié)，甚至無需知道具體產(chǎn)品類的類名為什么每種對象要單獨有一個工廠？主要目的是為了解耦。在系統(tǒng)中加入新產(chǎn)品時，無需修改抽象工廠和抽象產(chǎn)品提供的接口，無需修改客戶端，也無需修改其他的具體工廠和具體產(chǎn)品，只要添加一個具體工廠和具體產(chǎn)品就可以了。這樣系統(tǒng)的可擴(kuò)展性也就變得非常好，完全符合開閉原則6.3.2工廠方法模式工廠方法模式優(yōu)點工廠方法創(chuàng)建客戶所需要的產(chǎn)品，同時還向客戶隱藏了哪種具體產(chǎn)品類將被實例化這一細(xì)節(jié)創(chuàng)建某個產(chǎn)品對象的細(xì)節(jié)封裝在具體工廠內(nèi)部，并且能夠讓工廠自主確定創(chuàng)建何種產(chǎn)品對象在系統(tǒng)中加入新產(chǎn)品時，無需修改抽象工廠和抽象產(chǎn)品提供的接口，無需修改客戶端，也無需修改其他的具體產(chǎn)品和具體工廠，只要添加一個具體工廠和具體產(chǎn)品就可以了6.3.2工廠方法模式工廠方法模式缺點系統(tǒng)中類的個數(shù)將成對增加，在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，會給系統(tǒng)帶來一些額外的開銷增加了系統(tǒng)的抽象性和理解難度6.3.2工廠方法模式工廠方法模式適用環(huán)境客戶端不需要知道具體產(chǎn)品類的類名，只需要知道所對應(yīng)的工廠即可，具體產(chǎn)品對象由具體工廠類創(chuàng)建抽象工廠類可以通過其子類來指定創(chuàng)建哪個對象將創(chuàng)建對象的任務(wù)委托給多個工廠子類中的某一個，客戶端在使用時無需關(guān)心是哪一個工廠子類創(chuàng)建產(chǎn)品子類，需要時再動態(tài)綁定，可將具體工廠類的類名存儲在配置文件或數(shù)據(jù)庫中6.4抽象工廠模式抽象工廠模式概述抽象工廠模式的原理與結(jié)構(gòu)抽象工廠模式的應(yīng)用實例抽象工廠模式的優(yōu)缺點與適用場景6.4抽象工廠模式抽象工廠模式將考慮多等級產(chǎn)品的生產(chǎn)，將同一個具體工廠所生產(chǎn)的位于不同等級的一組產(chǎn)品稱為一個產(chǎn)品族圖6-9電器工廠的產(chǎn)品等級與產(chǎn)品族6.4抽象工廠模式6.4.1抽象工廠模式的定義對象創(chuàng)建型模式抽象工廠模式：提供一個創(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。Abstractfactorypattern:Providesaninterfaceforcreatingaseriesofrelatedorinterdependentobjectswithoutspecifyingtheirconcreteclasses.6.4.2抽象工廠模式的原理與結(jié)構(gòu)抽象工廠模式的結(jié)構(gòu)圖6-10抽象工廠模式類圖6.4.2抽象工廠模式的原理與結(jié)構(gòu)抽象工廠模式的結(jié)構(gòu)抽象工廠模式包含以下4個角色：AbstractFactory(抽象工廠)ConcreteFactory(具體工廠)AbstractProduct(抽象產(chǎn)品)ConcreteProduct(具體產(chǎn)品)6.4.3抽象工廠模式的應(yīng)用實例實例說明假設(shè)有一家汽車代工廠商負(fù)責(zé)給奔馳和特斯拉兩家公司制造汽車。簡單地把奔馳車?yán)斫鉃樾枰佑偷能?，特斯拉理解為需要充電的車。其中奔馳車中包含跑車和商務(wù)車兩種，特斯拉同樣也包含跑車和商務(wù)車。對于跑車有單獨的工廠創(chuàng)建，商務(wù)車也有單獨的工廠。這樣，以后無論是再幫任何其他廠商造車，只要是跑車或者商務(wù)車都不需要再引入工廠。同樣，如果要增加一種其他類型的車，比如越野車，也不需要對跑車或者商務(wù)車的任何東西做修改6.4.3抽象工廠模式的應(yīng)用實例實例類圖圖6-11基于抽象工廠模式的汽車代工廠類圖6.4.4抽象工廠模式優(yōu)點模式優(yōu)點隔離了具體類的生成，使得客戶端不需要知道所創(chuàng)建的東西。當(dāng)一個產(chǎn)品族中的多個對象被設(shè)計在一起工作時，能夠保證客戶端始終只使用同一個產(chǎn)品族中的對象。增加新的產(chǎn)品族很方便，無需修改已有系統(tǒng)6.4.4抽象工廠模式缺點模式缺點增加新的產(chǎn)品等級結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對原有系統(tǒng)進(jìn)行較大的修改，甚至需要修改抽象層代碼，這顯然會帶來較大的不便6.4.4抽象工廠模式的適用環(huán)境模式適用環(huán)境一個系統(tǒng)不依賴于產(chǎn)品類實例被創(chuàng)建、組合和表達(dá)的細(xì)節(jié)，這對于所有類型的工廠模式都是很重要的，用戶無需關(guān)心對象的創(chuàng)建過程，且將對象的創(chuàng)建和使用解耦系統(tǒng)中有多于一個產(chǎn)品族，而每次只使用其中某一產(chǎn)品族?？梢酝ㄟ^配置文件等方式來使得用戶可以動態(tài)改變產(chǎn)品族，并且便于增加新的產(chǎn)品族6.4.4抽象工廠模式的適用環(huán)境模式適用環(huán)境屬于同一個產(chǎn)品族的產(chǎn)品將在一起使用，這一約束必須在系統(tǒng)的設(shè)計中體現(xiàn)出來。同一個產(chǎn)品族中的產(chǎn)品可以是沒有任何關(guān)系的對象，但是它們都具有一些共同的約束產(chǎn)品等級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，設(shè)計完成之后，不會向系統(tǒng)中增加新的產(chǎn)品等級結(jié)構(gòu)或者刪除已有的產(chǎn)品等級結(jié)構(gòu)6.5建造者模式建造者模式概述建造者模式的原理與結(jié)構(gòu)建造者模式的應(yīng)用實例建造者模式的優(yōu)缺點與適用場景6.5建造者模式在軟件開發(fā)過程中有時需要創(chuàng)建一個復(fù)雜的對象，這個復(fù)雜對象通常由多個子部件按一定的步驟組合而成。例如，計算機(jī)是由CPU、主板、內(nèi)存、硬盤、顯卡、機(jī)箱、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等部件組裝而成的，采購員不可能自己去組裝計算機(jī)，而是將計算機(jī)的配置要求告訴計算機(jī)銷售公司，計算機(jī)銷售公司安排技術(shù)人員去組裝計算機(jī)，然后再交給采購員6.5建造者模式6.5.1建造者模式的定義對象創(chuàng)建型模式建造者模式：將一個復(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。BuilderPattern:Separatetheconstructionofacomplexobjectfromitsrepresentationsothatthesameconstructionprocesscancreatedifferentrepresentations.6.5.2建造者模式的原理與結(jié)構(gòu)建造者模式的結(jié)構(gòu)建造者模式包含以下4個角色：Builder（抽象建造者）ConcreteBuilder（具體建造者）Director（指揮者）Product（產(chǎn)品）6.5.2建造者模式的原理與結(jié)構(gòu)建造者模式的結(jié)構(gòu)圖6-12建造者模式類圖6.5.3建造者模式的應(yīng)用實例實例說明假設(shè)現(xiàn)在一家多人在線網(wǎng)絡(luò)游戲公司需要設(shè)計游戲角色，例如法師、戰(zhàn)士和獸人，每個角色都是一個復(fù)雜的對象，包含面容、性別、服裝、魔法值、能量值等多個組成部分。無論是何種造型的游戲角色，它的創(chuàng)建步驟都大同小異，都需要逐步創(chuàng)建其組成部分，再將各組成部分裝配成一個完整的游戲角色?，F(xiàn)使用建造者模式來實現(xiàn)游戲角色的創(chuàng)建6.5.3建造者模式的應(yīng)用實例實例類圖圖6-13基于建造者模式的網(wǎng)游游戲角色設(shè)計類結(jié)構(gòu)圖6.5.3建造者模式的應(yīng)用實例結(jié)果及分析使用建造者模式將建造復(fù)雜對象的過程與組成對象的部件解耦。這樣既保證了基本屬性的一致，也封裝了其中的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)在修改某個具體角色時，不會影響到其他角色。如果需要新增角色，只需再增加一個具體建造者，并在該建造者中完成具體細(xì)節(jié)的建造部分代碼即可6.5.4建造者模式的優(yōu)點模式優(yōu)點客戶端不需要了解產(chǎn)品內(nèi)部組成的細(xì)節(jié)，可直接將產(chǎn)品本身與產(chǎn)品的創(chuàng)建過程解耦，用相同的創(chuàng)建過程去創(chuàng)建不同的產(chǎn)品對象每一個具體建造者都相對獨立，與其他的具體建造者無關(guān)，便于替換具體建造者或增加新的具體建造者，擴(kuò)展方便可以更加精細(xì)地控制產(chǎn)品的創(chuàng)建過程增加新的具體建造者無需修改原有類庫的代碼，指揮者針對抽象建造者類編程，系統(tǒng)擴(kuò)展方便6.5.4建造者模式的缺點模式缺點建造者模式所創(chuàng)建的產(chǎn)品具有較多的共同點，其組成部分相似，如果產(chǎn)品之間的差異很大，則不適合使用建造者模式，因此其使用范圍受到一定的限制如果產(chǎn)品的內(nèi)部變化復(fù)雜，可能會需要定義很多具體建造者類來實現(xiàn)這種變化，導(dǎo)致系統(tǒng)變得很龐大，增加了系統(tǒng)的理解難度和運(yùn)行成本6.5.4建造者模式的適用環(huán)境模式適用環(huán)境生成的產(chǎn)品對象有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這些產(chǎn)品對象包含多個成員變量生成的產(chǎn)品對象其屬性相互依賴并需要指定其生成順序?qū)ο蟮膭?chuàng)建過程獨立于創(chuàng)建該對象的類。在建造者模式中通過引入了指揮者類，將創(chuàng)建過程封裝在指揮者類中，而不在建造者類和客戶類中隔離復(fù)雜對象的創(chuàng)建和使用，并使得相同的創(chuàng)建過程去創(chuàng)建不同的產(chǎn)品6.6原型模式原型模式概述原型模式的原理與結(jié)構(gòu)原型模式的應(yīng)用實例原型模式的優(yōu)缺點與適用場景6.6.1定義及結(jié)構(gòu)1.定義對象創(chuàng)建型模式原型模式：用原型實例指定待創(chuàng)建對象的類型，并且通過復(fù)制這個原型來創(chuàng)建新的對象。PrototypePattern:Specifythekindsofobjectstocreateusingaprototypicalinstance,andcreatenewobjectsbycopyingthisprototype.6.6.1定義及結(jié)構(gòu)2.原型模式的結(jié)構(gòu)圖6-14原型模式類圖6.6.1定義及結(jié)構(gòu)2.原型模式的結(jié)構(gòu)原型模式包含以下3個角色：Prototype（抽象原型類）ConcretePrototype（具體原型類）Client（訪問類）6.6.1定義及結(jié)構(gòu)淺克隆與深克隆淺克隆(ShallowClone)：當(dāng)原型對象被復(fù)制時，只復(fù)制它本