這九種經常使用的設計模式你掌握了嗎

在軟件工程中,設計模式(Design Pattern)是對軟件設計中廣泛存在(反覆出現)的各類問題,所提出的解決方案。根據模式的目的來劃分的話,GoF(Gang of Four)設計模式能夠分爲如下 3 種類型:node

一、建立型模式:用來描述 「如何建立對象」,它的主要特色是 「將對象的建立和使用分離」。包括單例、原型、工廠方法、抽象工廠和建造者 5 種模式。react

二、結構型模式:用來描述如何將類或對象按照某種佈局組成更大的結構。包括代理、適配器、橋接、裝飾、外觀、享元和組合 7 種模式。ios

三、行爲型模式:用來識別對象之間的經常使用交流模式以及如何分配職責。包括模板方法、策略、命令、職責鏈、狀態、觀察者、中介者、迭代器、訪問者、備忘錄和解釋器 11 種模式。git

接下來阿寶哥將結合一些生活中的場景並經過精美的配圖,來向你們介紹 9 種經常使用的設計模式。github

1、建造者模式

建造者模式(Builder Pattern)將一個複雜對象分解成多個相對簡單的部分,而後根據不一樣須要分別建立它們,最後構建成該複雜對象。算法

一輛小汽車 🚗 一般由 發動機、底盤、車身和電氣設備 四大部分組成。汽車電氣設備的內部構造很複雜,簡單起見,咱們只考慮三個部分:引擎、底盤和車身。sql

在現實生活中,小汽車也是由不一樣的零部件組裝而成,好比上圖中咱們把小汽車分紅引擎、底盤和車身三大部分。下面咱們來看一下如何使用建造者模式來造車子。typescript

1.1 實現代碼
class Car {
  constructor( public engine: string, public chassis: string, public body: string ) {}
}

class CarBuilder {
  engine!: string; // 引擎
  chassis!: string; // 底盤
  body!: string; // 車身

  addChassis(chassis: string) {
    this.chassis = chassis;
    return this;
  }

  addEngine(engine: string) {
    this.engine = engine;
    return this;
  }

  addBody(body: string) {
    this.body = body;
    return this;
  }

  build() {
    return new Car(this.engine, this.chassis, this.body);
  }
}
複製代碼

在以上代碼中,咱們定義一個 CarBuilder 類,並提供了 addChassisaddEngineaddBody 3 個方法用於組裝車子的不一樣部位,當車子的 3 個部分都組裝完成後,調用 build 方法就能夠開始造車。axios

1.2 使用示例
const car = new CarBuilder()
  .addEngine('v12')
  .addBody('鎂合金')
  .addChassis('複合材料')
  .build();
複製代碼
1.3 應用場景及案例
  • 須要生成的產品對象有複雜的內部結構,這些產品對象一般包含多個成員屬性。
  • 須要生成的產品對象的屬性相互依賴,須要指定其生成順序。
  • 隔離複雜對象的建立和使用,並使得相同的建立過程能夠建立不一樣的產品。
  • Github - node-sql-querygithub.com/dresende/no…

2、工廠模式

在現實生活中,工廠是負責生產產品的,好比牛奶、麪包或禮物等,這些產品知足了咱們平常的生理需求。設計模式

在衆多設計模式當中,有一種被稱爲工廠模式的設計模式,它提供了建立對象的最佳方式。工廠模式能夠分爲:簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式

2.1 簡單工廠

簡單工廠模式又叫 靜態方法模式,由於工廠類中定義了一個靜態方法用於建立對象。簡單工廠讓使用者不用知道具體的參數就能夠建立出所需的 」產品「 類,即便用者能夠直接消費產品而不須要知道產品的具體生產細節。

在上圖中,阿寶哥模擬了用戶購車的流程,小王和小秦分別向 BMW 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車型,接着工廠會先判斷用戶選擇的車型,而後按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給用戶。

下面咱們來看一下如何使用簡單工廠來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。

2.1.1 實現代碼
abstract class BMW {
  abstract run(): void;
}

class BMW730 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW730 發動咯");
  }
}

class BMW840 extends BMW {
  run(): void {
    console.log("BMW840 發動咯");
  }
}

class BMWFactory {
  public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {
    if (model === "730") {
      return new BMW730();
    } else {
      return new BMW840();
    }
  }
}
複製代碼

在以上代碼中,咱們定義一個 BMWFactory 類,該類提供了一個靜態的 produceBMW() 方法,用於根據不一樣的模型參數來建立不一樣型號的車子。

2.1.2 使用示例
const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730");
const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840");

bmw730.run();
bmw840.run();
複製代碼
2.1.3 應用場景
  • 工廠類負責建立的對象比較少:因爲建立的對象比較少,不會形成工廠方法中業務邏輯過於複雜。
  • 客戶端只需知道傳入工廠類靜態方法的參數,而不須要關心建立對象的細節。

2.2 工廠方法

工廠方法模式(Factory Method Pattern)又稱爲工廠模式,也叫多態工廠(Polymorphic Factory)模式,它屬於類建立型模式。

在工廠方法模式中,工廠父類負責定義建立產品對象的公共接口,而工廠子類則負責生成具體的產品對象, 這樣作的目的是將產品類的實例化操做延遲到工廠子類中完成,即經過工廠子類來肯定究竟應該實例化哪個具體產品類。

在上圖中,阿寶哥模擬了用戶購車的流程,小王和小秦分別向 BMW 730 和 BMW 840 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車子,接着工廠按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給用戶。

一樣,咱們來看一下如何使用工廠方法來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。

2.2.1 實現代碼
abstract class BMWFactory {
  abstract produceBMW(): BMW;
}

class BMW730Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW730();
  }
}

class BMW840Factory extends BMWFactory {
  produceBMW(): BMW {
    return new BMW840();
  }
}
複製代碼

在以上代碼中,咱們分別建立了 BMW730FactoryBMW840Factory 兩個工廠類,而後使用這兩個類的實例來生產不一樣型號的車子。

2.2.2 使用示例
const bmw730Factory = new BMW730Factory();
const bmw840Factory = new BMW840Factory();

const bmw730 = bmw730Factory.produceBMW();
const bmw840 = bmw840Factory.produceBMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
複製代碼
2.2.3 應用場景
  • 一個類不知道它所須要的對象的類:在工廠方法模式中,客戶端不須要知道具體產品類的類名,只須要知道所對應的工廠便可,具體的產品對象由具體工廠類建立;客戶端須要知道建立具體產品的工廠類。
  • 一個類經過其子類來指定建立哪一個對象:在工廠方法模式中,對於抽象工廠類只須要提供一個建立產品的接口,而由其子類來肯定具體要建立的對象,利用面向對象的多態性和里氏代換原則,在程序運行時,子類對象將覆蓋父類對象,從而使得系統更容易擴展。

繼續閱讀:Typescript 設計模式之工廠方法

2.3 抽象工廠

抽象工廠模式(Abstract Factory Pattern),提供一個建立一系列相關或相互依賴對象的接口,而無須指定它們具體的類。

在工廠方法模式中具體工廠負責生產具體的產品,每個具體工廠對應一種具體產品,工廠方法也具備惟一性,通常狀況下,一個具體工廠中只有一個工廠方法或者一組重載的工廠方法。 可是有時候咱們須要一個工廠能夠提供多個產品對象,而不是單一的產品對象。

在上圖中,阿寶哥模擬了用戶購車的流程,小王向 BMW 工廠訂購了 BMW730,工廠按照 730 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小王。而小秦向同一個 BMW 工廠訂購了 BMW840,工廠按照 840 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小秦。

下面咱們來看一下如何使用抽象工廠來描述上述的購車過程。

2.3.1 實現代碼
abstract class BMWFactory {
  abstract produce730BMW(): BMW730;
  abstract produce840BMW(): BMW840;
}

class ConcreteBMWFactory extends BMWFactory {
  produce730BMW(): BMW730 {
    return new BMW730();
  }

  produce840BMW(): BMW840 {
    return new BMW840();
  }
}
複製代碼
2.3.2 使用示例
const bmwFactory = new ConcreteBMWFactory();

const bmw730 = bmwFactory.produce730BMW();
const bmw840 = bmwFactory.produce840BMW();

bmw730.run();
bmw840.run();
複製代碼
2.3.3 應用場景
  • 一個系統不該當依賴於產品類實例如何被建立、組合和表達的細節,這對於全部類型的工廠模式都是重要的。
  • 系統中有多於一個的產品族,而每次只使用其中某一產品族。
  • 系統提供一個產品類的庫,全部的產品以一樣的接口出現,從而使客戶端不依賴於具體實現。

繼續閱讀:建立對象的最佳方式是什麼?

3、單例模式

單例模式(Singleton Pattern)是一種經常使用的模式,有一些對象咱們每每只須要一個,好比全局緩存、瀏覽器中的 window 對象等。單例模式用於保證一個類僅有一個實例,並提供一個訪問它的全局訪問點。

在上圖中,阿寶哥模擬了借車的流程,小王臨時有急事找阿寶哥借車子,阿寶哥家的車子恰好沒用,就借給小王了。當天,小秦也須要用車子,也找阿寶哥借車,由於阿寶哥家裏只有一輛車子,因此就沒有車可借了。

對於車子來講,它雖然給生活帶來了很大的便利,但養車也須要一筆不小的費用(車位費、油費和保養費等),因此阿寶哥家裏只有一輛車子。在開發軟件系統時,若是遇到建立對象時耗時過多或耗資源過多,但又常常用到的對象,咱們就能夠考慮使用單例模式。

下面咱們來看一下如何使用 TypeScript 來實現單例模式。

3.1 實現代碼
class Singleton {
  // 定義私有的靜態屬性,來保存對象實例
  private static singleton: Singleton;
  private constructor() {}

  // 提供一個靜態的方法來獲取對象實例
  public static getInstance(): Singleton {
    if (!Singleton.singleton) {
      Singleton.singleton = new Singleton();
    }
    return Singleton.singleton;
  }
}
複製代碼
3.2 使用示例
let instance1 = Singleton.getInstance();
let instance2 = Singleton.getInstance();

console.log(instance1 === instance2); // true
複製代碼
3.3 應用場景
  • 須要頻繁實例化而後銷燬的對象。
  • 建立對象時耗時過多或耗資源過多,但又常常用到的對象。
  • 系統只須要一個實例對象,如系統要求提供一個惟一的序列號生成器或資源管理器,或者須要考慮資源消耗太大而只容許建立一個對象。

繼續閱讀:TypeScript 設計模式之單例模式

4、適配器模式

在實際生活中,也存在適配器的使用場景,好比:港式插頭轉換器、電源適配器和 USB 轉接口。而在軟件工程中,適配器模式的做用是解決兩個軟件實體間的接口不兼容的問題。 使用適配器模式以後,本來因爲接口不兼容而不能工做的兩個軟件實體就能夠一塊兒工做。

4.1 實現代碼
interface Logger {
  info(message: string): Promise<void>;
}

interface CloudLogger {
  sendToServer(message: string, type: string): Promise<void>;
}

class AliLogger implements CloudLogger {
  public async sendToServer(message: string, type: string): Promise<void> {
    console.info(message);
    console.info('This Message was saved with AliLogger');
  }
}

class CloudLoggerAdapter implements Logger {
  protected cloudLogger: CloudLogger;

  constructor (cloudLogger: CloudLogger) {
    this.cloudLogger = cloudLogger;
  }

  public async info(message: string): Promise<void> {
    await this.cloudLogger.sendToServer(message, 'info');
  }
}

class NotificationService {
  protected logger: Logger;
  
  constructor (logger: Logger) {    
    this.logger = logger;
  }

  public async send(message: string): Promise<void> {
    await this.logger.info(`Notification sended: ${message}`);
  }
}
複製代碼

在以上代碼中,由於 LoggerCloudLogger 這兩個接口不匹配,因此咱們引入了 CloudLoggerAdapter 適配器來解決兼容性問題。

4.2 使用示例
(async () => {
  const aliLogger = new AliLogger();
  const cloudLoggerAdapter = new CloudLoggerAdapter(aliLogger);
  const notificationService = new NotificationService(cloudLoggerAdapter);
  await notificationService.send('Hello semlinker, To Cloud');
})();
複製代碼
4.3 應用場景及案例
  • 之前開發的系統存在知足新系統功能需求的類,但其接口同新系統的接口不一致。
  • 使用第三方提供的組件,但組件接口定義和本身要求的接口定義不一樣。
  • Github - axios-mock-adaptergithub.com/ctimmerm/ax…

繼續閱讀:TypeScript 設計模式之適配器模式

5、觀察者模式 & 發佈訂閱模式

5.1 觀察者模式

觀察者模式,它定義了一種一對多的關係,讓多個觀察者對象同時監聽某一個主題對象,這個主題對象的狀態發生變化時就會通知全部的觀察者對象,使得它們可以自動更新本身。

在觀察者模式中有兩個主要角色:Subject(主題)和 Observer(觀察者)。

在上圖中,Subject(主題)就是阿寶哥的 TS 專題文章,而觀察者就是小秦和小王。因爲觀察者模式支持簡單的廣播通訊,當消息更新時,會自動通知全部的觀察者。

下面咱們來看一下如何使用 TypeScript 來實現觀察者模式。

5.1.1 實現代碼
interface Observer {
  notify: Function;
}

class ConcreteObserver implements Observer{
  constructor(private name: string) {}

  notify() {
    console.log(`${this.name} has been notified.`);
  }
}

class Subject { 
  private observers: Observer[] = [];

  public addObserver(observer: Observer): void {
    console.log(observer, "is pushed!");
    this.observers.push(observer);
  }

  public deleteObserver(observer: Observer): void {
    console.log("remove", observer);
    const n: number = this.observers.indexOf(observer);
    n != -1 && this.observers.splice(n, 1);
  }

  public notifyObservers(): void {
    console.log("notify all the observers", this.observers);
    this.observers.forEach(observer => observer.notify());
  }
}
複製代碼
5.1.2 使用示例
const subject: Subject = new Subject();
const xiaoQin = new ConcreteObserver("小秦");
const xiaoWang = new ConcreteObserver("小王");
subject.addObserver(xiaoQin);
subject.addObserver(xiaoWang);
subject.notifyObservers();

subject.deleteObserver(xiaoQin);
subject.notifyObservers();
複製代碼
5.1.3 應用場景及案例

繼續閱讀:TypeScript 設計模式之觀察者模式

5.2 發佈訂閱模式

在軟件架構中,發佈/訂閱是一種消息範式,消息的發送者(稱爲發佈者)不會將消息直接發送給特定的接收者(稱爲訂閱者)。而是將發佈的消息分爲不一樣的類別,而後分別發送給不一樣的訂閱者。 一樣的,訂閱者能夠表達對一個或多個類別的興趣,只接收感興趣的消息,無需瞭解哪些發佈者存在。

在發佈訂閱模式中有三個主要角色:Publisher(發佈者)、 Channels(通道)和 Subscriber(訂閱者)。

在上圖中,Publisher(發佈者)是阿寶哥,Channels(通道)中 Topic A 和 Topic B 分別對應於 TS 專題和 Deno 專題,而 Subscriber(訂閱者)就是小秦、小王和小池。

下面咱們來看一下如何使用 TypeScript 來實現發佈訂閱模式。

5.2.1 實現代碼
type EventHandler = (...args: any[]) => any;

class EventEmitter {
  private c = new Map<string, EventHandler[]>();

  // 訂閱指定的主題
  subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {
    let topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      this.c.set(topic, topics = []);
    }
    topics.push(...handlers);
  }

  // 取消訂閱指定的主題
  unsubscribe(topic: string, handler?: EventHandler): boolean {
    if (!handler) {
      return this.c.delete(topic);
    }

    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return false;
    }
    
    const index = topics.indexOf(handler);

    if (index < 0) {
      return false;
    }
    topics.splice(index, 1);
    if (topics.length === 0) {
      this.c.delete(topic);
    }
    return true;
  }

  // 爲指定的主題發佈消息
  publish(topic: string, ...args: any[]): any[] | null {
    const topics = this.c.get(topic);
    if (!topics) {
      return null;
    }
    return topics.map(handler => {
      try {
        return handler(...args);
      } catch (e) {
        console.error(e);
        return null;
      }
    });
  }
}
複製代碼
5.2.2 使用示例
const eventEmitter = new EventEmitter();
eventEmitter.subscribe("ts", (msg) => console.log(`收到訂閱的消息:${msg}`) );

eventEmitter.publish("ts", "TypeScript發佈訂閱模式");
eventEmitter.unsubscribe("ts");
eventEmitter.publish("ts", "TypeScript發佈訂閱模式");
複製代碼
5.2.3 應用場景

繼續閱讀:如何優雅的實現消息通訊?

6、策略模式

策略模式(Strategy Pattern)定義了一系列的算法,把它們一個個封裝起來,而且使它們能夠互相替換。策略模式的重心不是如何實現算法,而是如何組織、調用這些算法,從而讓程序結構更靈活、可維護、可擴展。

目前在一些主流的 Web 站點中,都提供了多種不一樣的登陸方式。好比帳號密碼登陸、手機驗證碼登陸和第三方登陸。爲了方便維護不一樣的登陸方式,咱們能夠把不一樣的登陸方式封裝成不一樣的登陸策略。

下面咱們來看一下如何使用策略模式來封裝不一樣的登陸方式。

6.1 實現代碼

爲了更好地理解如下代碼,咱們先來看一下對應的 UML 類圖:

interface Strategy {
  authenticate(...args: any): any;
}

class Authenticator {
  strategy: any;
  constructor() {
    this.strategy = null;
  }

  setStrategy(strategy: any) {
    this.strategy = strategy;
  }

  authenticate(...args: any) {
    if (!this.strategy) {
      console.log('還沒有設置認證策略');
      return;
    }
    return this.strategy.authenticate(...args);
  }
}

class WechatStrategy implements Strategy {
  authenticate(wechatToken: string) {
    if (wechatToken !== '123') {
      console.log('無效的微信用戶');
      return;
    }
    console.log('微信認證成功');
  }
}

class LocalStrategy implements Strategy {
  authenticate(username: string, password: string) {
    if (username !== 'abao' && password !== '123') {
      console.log('帳號或密碼錯誤');
      return;
    }
    console.log('帳號和密碼認證成功');
  }
}
複製代碼
6.2 使用示例
const auth = new Authenticator();

auth.setStrategy(new WechatStrategy());
auth.authenticate('123456');

auth.setStrategy(new LocalStrategy());
auth.authenticate('abao', '123');
複製代碼
6.3 應用場景及案例

7、職責鏈模式

職責鏈模式是使多個對象都有機會處理請求,從而避免請求的發送者和接受者之間的耦合關係。在職責鏈模式裏,不少對象由每個對象對其下家的引用而鏈接起來造成一條鏈。請求在這個鏈上傳遞,直到鏈上的某一個對象決定處理此請求。

在公司中不一樣的崗位擁有不一樣的職責與權限。以上述的請假流程爲例,當阿寶哥請 1 天假時,只要組長審批就能夠了,不須要流轉到主管和總監。若是職責鏈上的某個環節沒法處理當前的請求,若含有下個環節,則會把請求轉交給下個環節來處理。

在平常的軟件開發過程當中,對於職責鏈來講,一種常見的應用場景是中間件,下面咱們來看一下如何利用職責鏈來處理請求。

7.1 實現代碼

爲了更好地理解如下代碼,咱們先來看一下對應的 UML 類圖:

interface IHandler {
  addMiddleware(h: IHandler): IHandler;
  get(url: string, callback: (data: any) => void): void;
}

abstract class AbstractHandler implements IHandler {
  next!: IHandler;
  addMiddleware(h: IHandler) {
    this.next = h;
    return this.next;
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.next) {
      return this.next.get(url, callback);
    }
  }
}

// 定義Auth中間件
class Auth extends AbstractHandler {
  isAuthenticated: boolean;
  constructor(username: string, password: string) {
    super();

    this.isAuthenticated = false;
    if (username === 'abao' && password === '123') {
      this.isAuthenticated = true;
    }
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    if (this.isAuthenticated) {
      return super.get(url, callback);
    } else {
      throw new Error('Not Authorized');
    }
  }
}

// 定義Logger中間件
class Logger extends AbstractHandler {
  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    console.log('/GET Request to: ', url);
    return super.get(url, callback);
  }
}

class Route extends AbstractHandler {
  URLMaps: {[key: string]: any};
  constructor() {
    super();
    this.URLMaps = {
      '/api/todos': [{ title: 'learn ts' }, { title: 'learn react' }],
      '/api/random': Math.random(),
    };
  }

  get(url: string, callback: (data: any) => void) {
    super.get(url, callback);

    if (this.URLMaps.hasOwnProperty(url)) {
      callback(this.URLMaps[url]);
    }
  }
}
複製代碼
7.2 使用示例
const route = new Route();
route.addMiddleware(new Auth('abao', '123')).addMiddleware(new Logger());

route.get('/api/todos', data => {
  console.log(JSON.stringify({ data }, null, 2));
});

route.get('/api/random', data => {
  console.log(data);
});
複製代碼
7.3 應用場景
  • 可處理一個請求的對象集合應被動態指定。
  • 想在不明確指定接收者的狀況下,向多個對象中的一個提交一個請求。
  • 有多個對象能夠處理一個請求,哪一個對象處理該請求運行時自動肯定,客戶端只須要把請求提交到鏈上便可。

8、模板方法模式

模板方法模式由兩部分結構組成:抽象父類和具體的實現子類。一般在抽象父類中封裝了子類的算法框架,也包括實現一些公共方法以及封裝子類中全部方法的執行順序。子類經過繼承這個抽象類,也繼承了整個算法結構,而且能夠選擇重寫父類的方法。

在上圖中,阿寶哥經過使用不一樣的解析器來分別解析 CSV 和 Markup 文件。雖然解析的是不一樣的類型的文件,但文件的處理流程是同樣的。這裏主要包含讀取文件、解析文件和打印數據三個步驟。針對這個場景,咱們就能夠引入模板方法來封裝以上三個步驟的處理順序。

下面咱們來看一下如何使用模板方法來實現上述的解析流程。

8.1 實現代碼

爲了更好地理解如下代碼,咱們先來看一下對應的 UML 類圖:

import fs from 'fs';

abstract class DataParser {
  data: string = '';
  out: any = null;

  // 這就是所謂的模板方法
  parse(pathUrl: string) {
    this.readFile(pathUrl);
    this.doParsing();
    this.printData();
  }

  readFile(pathUrl: string) {
    this.data = fs.readFileSync(pathUrl, 'utf8');
  }

  abstract doParsing(): void;
  
  printData() {
    console.log(this.out);
  }
}

class CSVParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.split(',');
  }
}

class MarkupParser extends DataParser {
  doParsing() {
    this.out = this.data.match(/<\w+>.*<\/\w+>/gim);
  }
}
複製代碼
8.2 使用示例
const csvPath = './data.csv';
const mdPath = './design-pattern.md';

new CSVParser().parse(csvPath);
new MarkupParser().parse(mdPath);
複製代碼
8.3 應用場景
  • 算法的總體步驟很固定,但其中個別部分易變時,這時候可使用模板方法模式,將容易變的部分抽象出來,供子類實現。
  • 當須要控制子類的擴展時,模板方法只在特定點調用鉤子操做,這樣就只容許在這些點進行擴展。

9、參考資源

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