本周课程主要内容为：C++设计模式简介、面向对象设计八大原则和DOF-23设计模式中的5中模式，包括template method模式、strategy策略模式、observer观察者模式、decorator装饰模式和bridge桥模式。

1、C++设计模式简介

“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。这样，你就能一次又一次地使用该方案而不必做重复劳动。”——Christopher Alexander

通常所说的设计模式隐含地表示“面向对象设计模式”，但这并不意味“设计模式”就等于“面向对象设计模式”。

1）c++学习的两种思维：

图1

底层思维：向下，如何把握机器底层从微观理解对象构造。

向下：深入理解三大面向对象机制（封装，隐藏内部实现 ；继承，复用现有代码； 多态，改写对象行为）。

抽象思维：向上，如何将我们的周围世界抽象为程序代码。

向上：深刻把握面向对象机制所带来的抽象意义，理解如何使用这些机制来表达现实世界，掌握什么是“好的面向对象设计”。

2）软件设计的变化性决定了其固有的复杂性，解决复杂性的两种方法：

分解：人们面对复杂性有一个常见的做法：即分而治之，将大问题分解为多个小问题，将复杂问题分解为多个简单问题。

抽象：更高层次来讲，人们处理复杂性有一个通用的技术，即抽象。由于不能掌握全部的复杂对象，我们选择忽视它的非本质细节，而去处理泛化和理想化了的对象模型。

3）重点总结

概括起来说就是，以可复用（编译单位级别的复用，不是源代码的拷贝粘贴）为目标，以面向对象（适应变化、各负其责）为方法，以分解和抽象的方法解决复杂性。

2、面向对象设计八大原则

将面向对象设计八大原则概括为如图2所示。

图2

图2参考于http://www.jianshu.com/p/02c87c496cd8。

1）设计原则一：依赖倒置原则（DIP）

高层模块（稳定）不应该依赖于低层模块（变化），二者都应该依赖于抽象（稳定）。

抽象（稳定）不应该依赖于实现细节（变化），实现细节应该依赖于抽象（稳定）。

课程中讲到的例子，如图3所示，第一种不符合依赖倒置原则，第二种高层模块和底层模块均依赖于抽象，符合依赖倒置原则。

图3

2）设计原则二：开放封闭原则（OCP）

对扩展开放，对更改封闭。

类模块应该是可拓展的，但是不可修改。

3）设计原则三：单一职责原则（SRP）

一个类应该仅有一个引起它变化的原因。

变化的方向隐含着类的责任。

4）设计原则四：Liskov替换原则（LSP）

子类必须能够替换它们的基类（IS-A）。

继承表达类型抽象。

5）设计原则五：接口隔离原则（ISP）

不应该强迫客户程序依赖它们不用的方法。

接口应该小而完备。

6）设计原则六：优先使用对象组合，而不是类继承

类继承通常为“白箱复用”，对象组合通常为“黑箱复用”。

继承在某种程度上破坏了封装性，子类父类耦合度高（容易误用）。

而对象组合则只要求被组合的对象具有良好定义的接口，耦合度低。

7）设计原则七：封装变化点

使用封装来创建对象之间的分界层，让设计者可以在分界层的一侧进行修改，而不会对另一侧产生不良的影响，从而实现层次间的松耦合。

封装变化点就是一侧稳定，一侧变化。

8）设计原则八：针对接口编程，而不是针对实现编程

不将变量类型声明为某个特定的具体类，而是声明为某个接口。

客户程序无需获知对象的具体类型，只需要知道对象所具有的接口。

减少系统类型中各部分的依赖关系，从而实现“高内聚、松耦合”的类型设计方案。

总的来说，将设计原则提升为设计经验：

设计习语：描述与特定编程语言相关的低层模式，技巧，惯用法。

设计模式：主要描述的是“类与相互通信的对象之间的组织关系，包括它们的角色、职责、协作方式等方面。

架构模式：描述系统中与基本结构组织关系密切的高层模式，包括子系统划分，职责，以及如何组织它们之间关系的规则。

3、DOF-23设计模式

3.1 分类

1）从目的分类

创建型（Creational）模式：将对象的部分创建工作延迟到子类或者其他对象，从而应对需求变化为对象创建时具体类型实现引来的冲击。

结构型（Structural）模式：通过类继承或者对象组合获得更灵活的结构，从而应对需求变化为对象的结构带来的冲击。

行为型（Behavioral）模式：通过类继承或者对象组合来划分类与对象间的职责，从而应对需求变化为多个交互的对象带来的冲击。

2）从范围分类

类模式处理类与子类的静态关系

对象模式处理对象间的动态关系

3）从封装变化角度分类

图4

3.2 template method模式

template method模式属于组件协作模式。

template method模式的动机： 在软件构件过程中，对于某项任务常具有稳定的整体操作结构， 但各个子步骤却有何多改变的需求，或者由于固有原因（比如框架与应用之间的关系）而无法和任务整体结构同时实现。

emplate method模式定义：定义一个操作中的算法的骨架（稳定），而将一些步骤延迟（变化）到子类中。Template Method使得子类可以不改变（复用）一个算法的结构即可重定义（override重写）该算法的某些特定步骤。

早绑定：写得晚的调用写得早的。

图5 早绑定

晚早定：写得早的调用写得晚的。

图6 晚绑定

应用程序开发人员使用library时，由于library的开发人员已经写好程序的主流程和部分步骤的具体实现（这些是相对稳定的）， 应用开发人员只需对library的类进行继承，并重写部分（override）它的成员函数（推荐为protdected类型，不被外界直接调用）即可，这种属于晚绑定。

对于设计模式的定义：

图7

设计模式的条件是必须有一个稳定点，有稳定和不稳定的成分，设计模式才有用武之地。如果全部都稳定，或是全部都不稳定，那么就不能使用设计模式。

总结：

（1）emplate Method模式是一种非常基础性的设计模式，在面向对象系统中有着大量的应用。它用最简洁的机制（虚函数的多态性）为很多应用程序框架提供了灵活的扩展点，是代码复用（二进制运行时刻的复用，不是代码的复用）方面的基本实现结构。

（2）利用多态性实现晚绑定。不要调用我让我来调用你 的反向控制结构是tenplate method的典型应用。

（3）具体实现方面，被template method 调用的虚方法可以有实现也可以没有实现，但一般推荐将他们设置为protected 方法。

3.3 strategy策略模式

strategy策略模式属于组件协作模式。

strategy策略模式的动机：在软件构建过程中，某些对象使用的算法可能多种多样，经常改变，如果将这些算法都编码到对象中，将会使对象变得异常复杂；而且有时候支持不使用的算法也是一个性能负担。

strategy策略模式定义：定义一系列算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可互相替换（变化）。该模式使得算法可独立于使用它的客户程序（稳定）而变化（扩展，子类化）。

strategy策略模式结构如图8所示。

图8

总结：

（1）strategy策略模式是以扩展的方式进行变化，典型结构if...else if...，但并不是所有的if...else if...都是strategy策略模式，当if...else if...中内容绝对不变时（如一周中七天），则不是strategy策略模式；

（2）优点：当存在一些无用的算法时， 代码具有良好的本地性，加载的代码，就是调用相应的哪个实现方法，但利用if..else if...他们也会加载这些无用的算法到代码段，影响性能；

（3）使用多态的变量（类内和类外），要用指针。

3.4 observer观察者模式

observer观察者模式属于组件协作模式。

observer观察者模式的动机：在软件构建过程中，我们需要为某些对象建立一种“通知依赖关系”——一个对象（目标对象）的状态发生改变，所有的依赖对象（观察者对象）都将得到通知。如果这样的依赖关系过于紧密，将使软件不能很好地抵御变化。使用面向对象技术，可以将这种依赖关系弱化，并形成一种稳定的依赖关系。从而实现软件体系结构的松耦合。

observer观察者模式定义：定义对象间的一种一对多（变化）的依赖关系，以便当一个对象（Subject）的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并自动更新。

observer观察者模式的结构如图9所示。

图9

总结：

（1）目标发送通知时，无需指定观察者，通知（可以携带通知信息作为参数）会自动传播。

观察者自己决定是否需要订阅通知，目标对象对此一无所知；

（2）Observer模式是基于事情的UI框架中非常常用的设计模式，也是MVC模式的一个重要组成部分；

（3）c++支持多继承，最好一个是主基类，其他的都是接口类。

3.5 decorator装饰模式

decorator装饰模式属于单一职责模式。

decorator装饰模式的动机：在某些情况下我们可能会“过度地使用继承来扩展对象的功能”，由于继承为类型引入的静态特质，使得这种扩展方式缺乏灵活性；并且随着子类的增多（扩展功能的增多），各种子类的组合（扩展功能的组合）会导致更多子类的膨胀。

decorator装饰模式定义：动态（组合）地给一个对象增加一些额外的职责。就增加功能而言，Decorator模式比生成子类（继承）更为灵活（消除重复代码&减少子类个数）。

decorator装饰模式的结构如图10所示。

图10

总结：

（1）主体操作和扩展操作应该分开继承，如图11所示；

图11

（2）当多个类继承于同一个类时，多个类的相同的成员应该提到基类中，如果其中有些子类并不使用某些基类数据成员，这时就可以将这些数据成员放入一个中间类（DecoratorStream）中；

（3）通过采用组合而非继承的手法，Decorator模式实现了在运行时动态扩展对象功能的能力，而且可以根据需要扩展多个功能。避免了使用继承带来的“灵活性差”和“多子类衍生问题”；

（4）Decorator类在接口上表现为is-a Component的继承关系，即Decorator类继承了Component类所具有的接口。但在实现上又表现为has-a Component的组合关系，即Decorator类又使用了另外一个Component类；

（5）Decorator模式的目的并非解决“多子类衍生的多继承”问题，Decorator模式应用的要点在于解决“主体类在多个方向上的扩展功能”——是为“装饰”的含义。

3.6 bridge桥模式

bridge桥模式属于单一职责模式。

bridge桥模式的动机：由于某些类型的固有的实现逻辑，使得它们具有两个变化的维度，乃至多个维度的变化。

bridge桥模式定义：将抽象部分（业务功能）与实现部分（平台实现）分离，使它们都可以独立地变化。

bridge桥模式的结构如图12所示。

图12

总结：

（1）Bridge模式使用“对象间的组合关系”解耦了抽象和实现之间固有的绑定关系，使得抽象和实现可以沿着各自的维度来变化。所谓抽象和实现沿着各自维度的变化，即“子类化”它们；

（2）Bridge模式有时候类似于多继承方案，但是多继承方案往往违背单一职责原则（即一个类只有一个变化的原因），复用性比较差。Bridge模式是比多继承方案更好的解决方法；

（3）Bridge模式的应用一般在“两个非常强的变化维度”，有时一个类也有多于两个的变化维度，这时可以使用Bridge的扩展模式。