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设计原则和设计模式

news 2025/8/4 10:30:33

一、设计原则：设计模式的指导思想

二、从原则到模式：模板方法的演变过程

2.1 问题场景：动物园表演的 "重复与变化"

2.2 第一步：提取不变骨架（符合单一职责）

2.3 第二步：用抽象约束变化（符合依赖倒置）

2.4 第三步：固定流程顺序（符合开闭原则）

三、模板方法类的代码结构

四、关于多态组合以及普通组合

4.1 普通组合（Non-polymorphic Composition）

4.2 多态组合（Polymorphic Composition）

在程序员设计程序的时候，发现许多应用场景有类似的套路，同时为了代码的健壮性、可移植性等，经过许多人的总结，形成了设计原则。而设计模式是在设计原则的基础上不断迭代，逐渐总结出一套符合设计原则的固定套路。

一、设计原则：设计模式的指导思想

设计模式的本质是设计原则的组合应用。在面向对象设计中，几个核心原则构成了所有模式的基础：

（1）开闭原则（Open-Closed Principle）
对扩展开放，对修改关闭。即通过扩展已有代码来适应变化，而非修改原有代码。

（2）依赖倒置原则（Dependency Inversion Principle）
依赖抽象而非具体实现。高层模块不依赖低层模块，两者都依赖抽象。

（3）单一职责原则（Single Responsibility Principle）
一个类只负责一个功能领域的职责，避免因需求变化导致类频繁修改。

（4）里氏替换原则（Liskov Substitution Principle）
子类可以替换父类并保证程序逻辑不变，即子类需遵守父类的行为契约。

这些原则都很好理解，比如开闭原则强调的是要对用户提供扩展接口，即可以定义子类去继承父类，而子类可以对父类虚函数重写达到扩展的效果。重点在于扩展，而非修改原有代码。

而里氏替换原则说不仅仅子类可以重写父类的虚函数，而且不能只关心子类自己的逻辑，还要满足父类的条件。

这些原则看似抽象，但当我们面对 "重复代码多、变化点分散、扩展困难" 的问题时，它们会引导我们找到结构化的解决方案 —— 这就是设计模式的诞生逻辑。

二、从原则到模式：模板方法的演变过程

这里我们以模板方法类为例：

模板方法模式（Template Method Pattern）的核心场景是：多个子类实现的流程骨架相同，但部分步骤的具体实现不同。我们通过一个演化案例来理解其与设计原则的关联。

2.1 问题场景：动物园表演的 "重复与变化"

动物园有多种表演（狮子表演、海豚表演、猴子表演），所有表演的执行流程骨架完全一致：

开场（播放音乐、主持人介绍）；
主要表演（狮子跳火圈、海豚顶球等，具体内容不同）；
观众互动（狮子与观众合影、海豚握手等，具体方式不同）；
结束（谢幕、清理场地）。

但如果为每个表演单独编写代码，会出现大量重复（开场和结束逻辑完全相同），且新增表演时需重复编写骨架代码（违反开闭原则）。

2.2 第一步：提取不变骨架（符合单一职责）

将所有表演的不变步骤（开场、结束）抽离到一个公共父类，让变化步骤（主要表演、互动）留待子类实现。此时父类专注于 "流程骨架"，子类专注于 "具体步骤"，符合单一职责原则。

2.3 第二步：用抽象约束变化（符合依赖倒置）

父类通过纯虚函数定义变化步骤的接口，子类必须实现这些接口。高层模块（如调度表演的代码）只需依赖父类抽象，无需关心具体表演类型，符合依赖倒置原则。

2.4 第三步：固定流程顺序（符合开闭原则）

父类提供一个模板方法（Template Method），该方法按固定顺序调用所有步骤（包括不变步骤和抽象步骤）。子类通过重写抽象步骤扩展功能，无需修改模板方法本身，符合开闭原则。

至此，模板方法模式的核心结构已形成：父类定义流程骨架，子类实现变化步骤。

三、模板方法类的代码结构

// 抽象表演类：定义流程骨架（模板方法）
class Performance {
public:// 模板方法：固定表演流程，子类不可修改void run() {open();          // 不变步骤：开场perform();       // 变化步骤：主要表演（子类实现）interact();      // 变化步骤：观众互动（子类实现）close();         // 不变步骤：结束}// 析构函数声明为虚函数，确保子类析构正常调用virtual ~Performance() = default;protected:// 不变步骤：所有表演的开场逻辑相同void open() {std::cout << "=== 表演开始：播放背景音乐，主持人登场 ===" << std::endl;}// 不变步骤：所有表演的结束逻辑相同void close() {std::cout << "=== 表演结束：演员谢幕，工作人员清理场地 ===" << std::endl;}// 变化步骤：声明为纯虚函数，由子类实现具体表演内容virtual void perform() = 0;// 变化步骤：声明为纯虚函数，由子类实现具体互动方式virtual void interact() = 0;
};// 狮子表演：实现具体步骤
class LionPerformance : public Performance {
protected:void perform() override {std::cout << "狮子表演：跳火圈、钻铁笼" << std::endl;}void interact() override {std::cout << "互动环节：观众与狮子合影（保持安全距离）" << std::endl;}
};// 海豚表演：实现具体步骤
class DolphinPerformance : public Performance {
protected:void perform() override {std::cout << "海豚表演：顶球、跃出水面" << std::endl;}void interact() override {std::cout << "互动环节：观众给海豚喂鱼" << std::endl;}
};// 客户端代码：调度表演（依赖抽象，不依赖具体）
void startShow(Performance* performance) {performance->run();  // 调用模板方法，执行固定流程
}

代码解析：

抽象类Performance：

定义模板方法run()，固定调用open()→perform()→interact()→close()的顺序（骨架不变）。
open()和close()为具体方法（不变步骤），perform()和interact()为纯虚函数（变化步骤，由子类实现）。

子类实现：
LionPerformance和DolphinPerformance分别重写perform()和interact()，实现各自的具体逻辑，无需关心流程顺序。

假设你现在想要设定表演为狮子表演，只需要写一个狮子表演类，继承于Performance类，然后new一个狮子表演类对象A，直接用这个对象A的指针或者引用调用入口函数即可。

由于run在基类中已经确定了函数执行的顺序和步骤，所以A指针会在这个对象的虚函数表指针中找到重载的虚函数进行调用。

四、关于多态组合以及普通组合

组合（Composition）是 "has-a" 的关系（A 类包含 B 类的实例），是面向对象中比继承更灵活的复用方式。因为组合相比继承，可以降低代码的耦合度，如。且组合式黑箱复用，只需要调用类的接口即可，而继承则是白箱复用，对于子类而言可以看到父类的实现细节等。根据是否利用多态，组合可分为两类：

4.1 普通组合（Non-polymorphic Composition）

定义：组合的成员是具体类型的实例，编译时确定依赖关系。

class MusicPlayer 
{
private:MP3Player mp3;  // 依赖具体类型MP3Player
public:void play() { mp3.play(); }
};

特点：

编译时绑定(早绑定)，性能略高，但灵活性差。
若需替换MP3Player为WavPlayer，必须修改MusicPlayer的代码（违反开闭原则）。

4.2 多态组合（Polymorphic Composition）

定义：组合的成员是抽象基类的指针 / 引用，运行时可指向任意派生类实例，依赖关系在运行时确定。

class Player {  // 抽象基类
public:virtual void play() = 0;virtual ~Player() = default;
};class MP3Player : public Player {
public:void play() override { /* 播放MP3 */ }
};class WavPlayer : public Player {
public:void play() override { /* 播放Wav */ }
};class MusicPlayer {
private:Player* player;  // 依赖抽象，运行时可指向MP3/WavPlayer
public:MusicPlayer(Player* p) : player(p) {}void play() { player->play(); }
};

特点：