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23种设计模式详解（基于GoF经典分类）

设计模式是前辈程序员在解决软件设计问题时总结的可复用方案。根据GoF（四人帮）的分类，23种设计模式可分为创建型、结构型和行为型三大类。以下是详细解析：

一、创建型模式（5种）

核心目标：优化对象的创建过程，提升灵活性和资源管理效率。

1. 工厂方法模式（Factory Method）
   • 机制：定义一个创建对象的接口，由子类决定实例化哪个类。
   • 场景：需要延迟实例化或子类决定具体类时（如JDBC驱动加载）。
   • 示例：LoggerFactory根据配置返回FileLogger或DatabaseLogger。
2. 抽象工厂模式（Abstract Factory）
   • 机制：创建一系列相关或依赖对象，无需指定具体类。
   • 场景：需要产品族（如不同操作系统主题组件）时。
   • 示例：GUIFactory生成WindowsButton和MacButton。
3. 单例模式（Singleton）
   • 机制：确保类唯一实例，提供全局访问点。
   • 场景：日志记录、线程池、配置管理器等需唯一资源的场景。
   • 实现：双重检查锁（DCL）或静态内部类方式。
4. 建造者模式（Builder）
   • 机制：分离复杂对象构建与表示，支持分步构建。
   • 场景：对象构造过程复杂且需灵活组合时（如游戏角色装备搭配）。
   • 示例：ComputerBuilder分步设置CPU、内存、硬盘。
5. 原型模式（Prototype）
   • 机制：通过复制原型创建新对象，避免重复初始化。
   • 场景：对象创建成本高或需保留原始状态时（如Excel模板复制）。
   • 实现：clone()方法深度复制对象。

二、结构型模式（7种）

核心目标：构建高效、可扩展的系统结构，降低类与对象间的耦合。

1. 适配器模式（Adapter）
   • 机制：转换接口以兼容不兼容的类。
   • 场景：旧系统集成或第三方库适配（如电压转换器）。
   • 示例：LegacySystemAdapter将旧API转换为新接口。
2. 桥接模式（Bridge）
   • 机制：抽象与实现分离，独立变化。
   • 场景：需多维度扩展时（如跨平台绘图工具：Windows/Mac + 矢量/位图）。
   • 示例：DrawingAPI分离WindowsRenderer和MacRenderer。
3. 组合模式（Composite）
   • 机制：树形结构表示部分-整体，统一访问。
   • 场景：文件系统、组织架构管理。
   • 示例：File和Folder统一处理为Component。
4. 装饰器模式（Decorator）
   • 机制：动态添加对象职责，替代继承。
   • 场景：需灵活扩展功能时（如咖啡订单：浓缩+奶泡+糖浆）。
   • 示例：Beverage通过MilkDecorator和SugarDecorator动态添加配料。
5. 外观模式（Facade）
   • 机制：简化复杂子系统接口。
   • 场景：API封装或新手引导流程。
   • 示例：ComputerFacade一键启动CPU、内存、硬盘。
6. 享元模式（Flyweight）
   • 机制：共享细粒度对象，减少资源消耗。
   • 场景：大量相似对象场景（如五子棋棋子）。
   • 示例：ChessPieceFactory复用黑白棋子对象。
7. 代理模式（Proxy）
   • 机制：控制对象访问，添加间接层。
   • 场景：权限控制、远程调用或日志记录（如明星经纪人）。
   • 示例：ImageProxy延迟加载大图资源。

三、行为型模式（11种）

核心目标：增强对象间通信与协作，提升代码复用和可维护性。

1. 责任链模式（Chain of Responsibility）
   • 机制：请求沿处理链传递，直至被处理。
   • 场景：权限审批、异常拦截。
   • 示例：ApprovalHandler链式处理请假申请。
2. 命令模式（Command）
   • 机制：请求封装为对象，支持撤销/重做。
   • 场景：操作日志、任务队列（如文本编辑器撤销功能）。
   • 示例：TextEditorCommand记录复制、粘贴操作。
3. 解释器模式（Interpreter）
   • 机制：解释语言文法，构建解释器。
   • 场景：简单规则引擎或数学表达式解析。
   • 示例：MathExpressionInterpreter解析并计算表达式。
4. 迭代器模式（Iterator）
   • 机制：统一访问集合元素，不暴露内部结构。
   • 场景：遍历容器对象（如Java集合框架）。
   • 示例：ListIterator遍历ArrayList。
5. 中介者模式（Mediator）
   • 机制：封装对象交互，降低耦合。
   • 场景：聊天室、航班预订系统。
   • 示例：ChatRoomMediator协调用户消息发送。
6. 备忘录模式（Memento）
   • 机制：捕获对象状态，支持恢复。
   • 场景：游戏存档、撤销操作。
   • 示例：GameSnapshot保存/恢复游戏进度。
7. 观察者模式（Observer）
   • 机制：定义一对多依赖，状态变化通知观察者。
   • 场景：事件驱动系统、股票报价更新。
   • 示例：StockTicker通知所有订阅者价格变动。
8. 状态模式（State）
   • 机制：对象行为随状态改变。
   • 场景：订单状态机、电梯控制。
   • 示例：Order在Pending、Shipped、Delivered状态切换行为。
9. 策略模式（Strategy）
   • 机制：封装可互换算法，动态选择。
   • 场景：支付方式切换、排序算法选择。
   • 示例：SortStrategy根据参数选择快速排序或归并排序。
10. 模板方法模式（Template Method）
    • 机制：定义算法骨架，子类实现步骤。
    • 场景：框架设计、算法复用（如Spring MVC处理流程）。
    • 示例：DataProcessor定义validate()、process()抽象方法。
11. 访问者模式（Visitor）
    • 机制：操作作用于对象结构，不修改类。
    • 场景：报表生成、编译器语法分析。
    • 示例：TaxVisitor计算不同Item的税费。

设计模式选择原则

• 开闭原则：对扩展开放，对修改关闭。
• 单一职责：一个类只负责一个功能。
• 里氏替换：子类可替换父类而不影响程序。
• 依赖倒置：依赖抽象而非具体实现。

通过合理选择设计模式，可显著提升代码的可读性、可维护性和可扩展性。实际应用中需结合场景权衡，避免过度设计。后续将会有一系列的学习研究，采用java语言的实际例子，针对这23种设计模式做一个详细分解。