设计模式面试

C++ 面向对象设计

• 封装：隐藏内部实现
• 继承：复用现有代码
• 多态：改写对象行为

设计模式关键在于分解和抽象;

设计模式的主要目的是易于变化

面向对象设计原则–比设计模式更加重要 违背了设计原则，设计模式是错误的。

• 依赖倒置原则(DIP)
• 开放封闭原则(OCP)
• 单一职责原则(SRP)

工厂方法模式

模式定义

工厂方法模式(Factory Method Pattern)又称为工厂模式，也叫虚拟构造器(Virtual Constructor)模式或者多态工厂(Polymorphic Factory)模式，它属于类创建型模式。在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象，这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

模式结构和时序图

• Product：抽象产品
• ConcreteProduct：具体产品
• Factory：抽象工厂
• ConcreteFactory：具体工厂

模式结构：

工厂方法模式的优点

• 工厂无需关心细节，甚至无序知道具体产品的类名称。
• 工厂角色和茶农角色的多态性设计是工厂方法模式的关键。它能确定创建的产品对象；创建细节完全封装在具体工厂内部。所有的具体工厂类都具有同一抽象父类。
• 添加新产品时，只需要添加一个具体的工厂和具体产品就可以了，系统的扩展性较好，完全符合”开闭原则”。

工厂模式的缺点

• 添加新产品时，需要编写新的具体产品类，而且需要提供与之赌赢的工厂类，系统中类的个数将成对增加，会带来额外的编译开销。
• 由于考虑到系统的可扩展性，需要引入抽象层，在客户端代码中均使用抽象层进行定义，增加了系统的抽象性和理解难度，且在实现时可能需要用到DOM、反射等技术，增加了系统的实现难度。

单例模式

模式定义

单例模式(Singleton Pattern)：单例模式确保某一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例，这个类称为单例类，它提供全局访问的方法。

单例模式的要点有三个：一是某个类只能有一个实例；二是它必须自行创建这个实例；三是它必须自行向整个系统提供这个实例。单例模式是一种对象创建型模式。单例模式又名单件模式或单态模式。

模式分析

单例模式的目的是保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。单例类拥有一个私有构造函数，确保用户无法通过new关键字直接实例化它。除此之外，该模式中包含一个静态私有成员变量与静态公有的工厂方法，该工厂方法负责检验实例的存在性并实例化自己，然后存储在静态成员变量中，以确保只有一个实例被创建。

在单例模式的实现过程中，需要注意如下三点：

• 单例类的构造函数为私有；
• 提供一个自身的静态私有成员变量；
• 提供一个公有的静态工厂方法。

优点

• 提供了对唯一实例的受控访问。
• 允许可变数目的实例。

缺点

• 由于单例模式中没有抽象层，因此单例类的扩展有很大的困难。
• 单例类的职责过重，在一定程度上违背了“单一职责原则”。

适用环境

• 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

观察者模式

上述模式中，需要使用明显的调用函数，来进行两个对象之间的通信，但是能否建立一种关系，使得一个对象发生改变时，自动通知其它对象，做出反映。这种模式就是观察者模式

模式定义

观察者模式(Observer Pattern)：定义对象间的一种一对多依赖关系，使得每当一个对象状态发生改变时，其相关依赖对象皆得到通知并被自动更新。观察者模式又叫做发布-订阅（Publish/Subscribe）模式。

观察者模式是一种对象行为型模式。

模式结构

观察者模式包含如下角色：

• Subject: 目标主题：跟踪所有观察者，并提供添加和删除观察者的接口。
• ConcreteSubject: 具体目标；将有关状态存入各 ConcreteObserver 对象。当具体主题的状态发生任何更改时，通知所有观察者。
• Observer: 观察者：为所有的具体观察者定义一个接口，在得到主题的通知时进行自我更新。
• ConcreteObserver: 具体观察者；实现 Observer 所要求的更新接口，以便使本身的状态与主题的状态相协调。

类图如下：

优缺点

优点：

• 观察者和被观察者是抽象耦合的

缺点：

• 如果一个被观察者对象有很多的直接和间接的观察者，将所有的观察者都通知到会花费很多时间。
• 如果在观察者和观察目标之间有循环依赖的话，观察目标会触发它们之间进行循环调用，可能导致系统崩溃。

适用情况

• 一个对象必须通知其他对象，而并不知道这些对象是谁。

代理模式

模式定义

代理模式(Proxy Pattern) ：给某一个对象提供一个代 理，并由代理对象控制对原对象的引用。代理模式的英文叫做Proxy或Surrogate，它是一种对象结构型模式。

模式结构

代理模式包含角色如下：

• Subject:抽象主题角色；声明了 RealSubject 与 Proxy 的共同接口，定义了某个/些功能。
• RealSubject（真实主题）：通常执行具体的业务逻辑，Proxy 控制对它的访问。
• Proxy:持有一个 RealSubject 引用（指针），可以在需要时将请求转发给 RealSubject，以此起到代理的作用。
• Client（客户端）：通过 Proxy 间接地与 RealSubject 进行交互。

注意： Proxy 和 RealSubject 都实现了 Subject 的接口，这允许 Client 可以像处理 RealSubject 一样处理 Proxy。

优缺点

优点:

• 代理模式能将代理对象与真正被调用的对象分离，在一定程度上降低了系统的耦合度。
• 在客户端和目标对象之间，代理起到一个中介作用，这样可以保护目标对象。在对目标对象调用之前，代理对象也可以进行其他操作。

缺点：

• 这种模式引入了另一个抽象层，这有时可能是一个问题。如果真实主题被某些客户端直接访问，并且其中一些客户端可能访问代理类，这可能会导致不同的行为。
• 由于在客户端和真实主题之间增加了代理对象，因此有些类型的代理模式可能会造成请求的处理速度变慢。
• 实现代理模式需要额外的工作，有些代理模式的实现非常复杂。

适用场景

• 远程代理（Remote Proxy）：为一个位于不同地址空间的对象提供一个本地代理，对代理的方法调用会导致对远程对象的方法调用。ATM 就是一个例子，ATM 可能会持有（存在于远程服务器中的）银行信息的一个代理对象。
• 虚拟代理（Virtual Proxy）：使用虚拟代理，代理可以作为一个（资源消耗较大的）对象的代表。虚拟代理经常延迟对象的创建，直到需要为止。在创建对象之前（及创建对象过程中），虚拟代理也可以作为对象的代理；之后，代理将请求直接委托给 RealSubject。
• 保护代理（Protection Proxy）:根据访问权限，可以使用保护代理来控制对资源的访问。

装饰模式

对于类或者对象的行为增加，一般有两种方式：

• 继承机制:使用继承机制，直接进行函数的添加。
• 关联机制，即将一个类的对象嵌入另外一个对象中，由另外一个对象来决定是否调用嵌入对象的行为，以便扩展自己的行为。，我们称这个嵌入的对象为“装饰器”。

模式定义：

装饰模式(Decorator Pattern) ：动态地给一个对象增加一些额外的职责(Responsibility)，就增加对象功能来说，装饰模式比生成子类实现更为灵活。其别名也可以称为包装器(Wrapper)，与适配器模式的别名相同，但它们适用于不同的场合。根据翻译的不同，装饰模式也有人称之为“油漆工模式”，它是一种对象结构型模式。

模式结构

包含角色如下：

• Component: 抽象构件
• ConcreteComponent: 具体构件
• Decorator: 抽象装饰类
• ConcreteDecorator: 具体装饰类

装饰模式中的装饰类一般拥有为抽象构建成员，通过具体构建类来进行添加操作，成为具体的装饰类，最终实现具体的类操作的扩展，装饰器一般也来自于基础的抽象构件

优点

• 装饰模式提供比继承更多的灵活度

缺点

• 使用装饰模式时，因为层层递进关系，会产生很多无用的小对象；和具体的装饰类。

适配器模式

适配器模式(Adapter Pattern) ：将一个接口转换成客户希望的另一个接口，适配器模式使接口不兼容的那些类可以一起工作，其别名为包装器(Wrapper)。适配器模式既可以作为类结构型模式，也可以作为对象结构型模式。

适配器模式（Adapter Pattern）是一种补救模式，将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口，从而使原本由于接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。

1.3 模式结构

适配器模式包含如下角色：

• Target：目标抽象类
• Adapter：适配器类
• Adaptee：适配者类
• Client：客户类

适配器模式有对象适配器和类适配器两种实现：

对象适配器：

优点

• 将目标类和适配者类解耦，通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类，而无须修改原有代码。
• 增加了类的透明性和复用性。

对象适配器模式还具有如下优点： 一个对象适配器可以把多个不同的适配者适配到同一个目标，也就是说，同一个适配器可以把适配者类和它的子类都适配到目标接口。

缺点

• 对象适配器：
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优点

• 将目标类和适配者类解耦，通过引入一个适配器类来重用现有的适配者类，而无须修改原有代码。
• 增加了类的透明性和复用性。

对象适配器模式还具有如下优点： 一个对象适配器可以把多个不同的适配者适配到同一个目标，也就是说，同一个适配器可以把适配者类和它的子类都适配到目标接口。

缺点

• 对象适配器：
  • 与类适配器模式相比，要想置换适配者类的方法就不容易。如果一定要置换掉适配者类的一个或多个方法，就只好先做一个适配者类的子类，将适配者类的方法置换掉，然后再把适配者类的子类当做真正的适配者进行适配，实现过程较为复杂。