上海交大C++課件：剖析設計模式在實際編程中的應用匯報人：2024-11-16設計模式概述設計模式的基本原則常見設計模式解析設計模式在實際編程中的應用場景設計模式的優缺點及適用場景分析大學生如何學習與應用設計模式目錄01設計模式概述定義分類關注對象之間的通信和協作方式，如策略模式、觀察者模式、模板方法模式等。行為型模式關注對象之間的組合和關聯方式，如適配器模式、橋接模式、組合模式等。結構型模式關注對象的創建過程，如工廠方法模式、抽象工廠模式、建造者模式等。創建型模式設計模式是在軟件開發中，針對特定問題的優雅解決方案，它是經驗總結的智慧結晶。設計模式通常根據用途和范圍分為三類，即創建型模式、結構型模式和行為型模式。定義與分類提升系統可擴展性設計模式有助于我們在系統中定義良好的接口和抽象類，使得系統能夠更容易地進行擴展和適應新的需求。提高代碼可重用性設計模式提供了一種優秀的解決方案，使得代碼可以被重復利用，減少了代碼冗余，提高了開發效率。增加系統可維護性通過采用設計模式，可以使系統更加模塊化，降低系統的復雜性，從而提高系統的可維護性。設計模式的重要性設計模式提供了一套可重用的設計方案，使得開發人員可以更加便捷地構建出高質量的軟件系統。提高軟件可復用性通過應用設計模式，可以降低軟件系統的復雜性，提高代碼的可讀性和可維護性，從而減少軟件維護成本。增強軟件可維護性設計模式作為一種通用的設計語言，有助于團隊成員之間更加順暢地交流和協作，提高開發效率。促進團隊協作設計模式與軟件開發的關系02設計模式的基本原則一個類應該只有一個引起變化的原因，即每一個類應該只有一個職責。定義在編程中，如果一個類承擔的職責過多，就等于把這些職責耦合在一起，一個職責的變化可能會削弱或者抑制這個類完成其他職責的能力。這種耦合會導致脆弱的設計，當變化發生時，設計會遭受到意想不到的破壞。因此，應該將不同的職責分離到不同的類中，使每個類只有一個職責，從而提高系統的可維護性和可擴展性。應用單一職責原則軟件實體（類、模塊、函數等等）應當是可擴展，而不可修改的。即對于擴展是開放的，對于修改是封閉的。定義在編程中，開放封閉原則要求我們通過擴展已有軟件系統的方式來提供新的行為，而不是通過修改已有的代碼來實現。這樣可以保證原有系統的穩定性和可靠性，同時又能滿足新的需求。為了實現開放封閉原則，我們可以采用抽象和接口等技術手段來定義系統的可擴展點，從而允許新的行為以擴展的方式加入到系統中。應用開放封閉原則定義所有引用基類的地方必須能透明地使用其子類的對象。即子類必須能夠替換掉它們的父類。應用在編程中，里氏替換原則要求我們在設計類的時候，要保證子類在替換父類后，程序的行為不會發生變化。這個原則強調了基類和子類之間的行為應該是一致的，即子類不應該引入新的行為或者破壞父類的行為。為了實現里氏替換原則，我們可以采用繼承和多態等技術手段來確保子類可以無縫地替換掉父類。里氏替換原則定義高層模塊不應該依賴于低層模塊，兩者都應該依賴于抽象；抽象不應該依賴于細節，細節應該依賴于抽象。01依賴倒置原則應用在編程中，依賴倒置原則要求我們在設計系統的時候，要盡量減少類之間的耦合度，提高系統的可維護性和可擴展性。為了實現這個原則，我們可以采用接口或者抽象類來定義類之間的依賴關系，從而使得高層模塊不依賴于具體的低層模塊，而是依賴于抽象的接口或者抽象類。這樣可以降低系統之間的耦合度，提高系統的靈活性和可重用性。02接口隔離原則定義客戶端不應該依賴它不需要的接口；一個類對另一個類的依賴性應當是建立在最小的接口上。應用在編程中，接口隔離原則要求我們在設計接口的時候，應該盡量將接口細化，避免設計出過于龐大和復雜的接口。如果一個接口包含了太多的方法，那么實現這個接口的類就必須實現所有的方法，即使有些方法并不是這個類所需要的。這會導致代碼的冗余和浪費，同時也會增加系統的復雜性和維護成本。因此，我們應該將接口拆分成多個小接口，每個接口只包含一組相關的方法，從而使得類只需要實現它們真正需要的方法。這樣可以提高系統的靈活性和可維護性。03常見設計模式解析定義一個用于創建對象的接口，讓子類決定實例化哪一個類。工廠方法使一個類的實例化延遲到其子類。提供一個接口，用于創建相關或依賴對象的家族，而不需要明確指定具體類。將一個復雜對象的構建與它的表示分離，使得同樣的構建過程可以創建不同的表示。確保一個類僅有一個實例，并提供一個訪問它的全局訪問點。創建型模式工廠方法模式抽象工廠模式建造者模式單例模式適配器模式將一個類的接口轉換成客戶期望的另一個接口。適配器模式讓原本接口不兼容的類可以合作無間。結構型模式01橋接模式將抽象部分與它的實現部分分離，使它們都可以獨立地變化。02組合模式允許你將對象組合成樹形結構以表示“部分-整體”的層次結構，組合模式使得用戶對單個對象和組合對象的使用具有一致性。03裝飾器模式動態地給一個對象添加一些額外的職責，就增加功能來說，裝飾器模式相比生成子類更為靈活。04狀態模式允許一個對象在其內部狀態改變時改變它的行為。對象看起來似乎修改了它的類。觀察者模式定義對象間的一種一對多的依賴關系，當一個對象的狀態發生改變時，所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。模板方法模式定義一個操作中的算法的骨架，而將一些步驟延遲到子類中。模板方法使得子類可以不改變一個算法的結構即可重定義該算法的某些特定步驟。策略模式定義了一系列的算法，并將每一個算法封裝起來，使它們可以互相替換。策略模式使得算法可以獨立于使用它的客戶變化。行為型模式04設計模式在實際編程中的應用場景優化游戲性能合理的設計模式應用能夠有效地降低游戲的資源消耗，提高運行效率，為玩家帶來更加流暢的游戲體驗。提高游戲可擴展性在游戲開發中，設計模式可以幫助開發者更好地組織代碼，使得游戲功能更加模塊化，便于后續擴展和維護。增強游戲交互性通過應用設計模式，游戲中的角色、場景等元素可以更加靈活地交互，提升游戲體驗。游戲開發中的設計模式應用網絡編程面臨著復雜的通信和數據處理問題，設計模式在此領域的應用能夠顯著提升代碼的健壯性和可維護性。設計模式如工廠模式、單例模式等可以幫助管理和組織網絡通信中的對象，降低通信復雜性。簡化網絡通信觀察者模式、策略模式等設計模式能夠優化數據處理流程，提高網絡應用的數據處理效率。提升數據處理效率通過代理模式、門面模式等設計模式的應用，可以增強網絡系統的安全性，防止惡意攻擊。增強系統安全性網絡編程中的設計模式應用使用設計模式可以優化數據庫查詢，減少不必要的數據訪問，從而提升數據訪問效率。設計模式還可以幫助實現數據庫連接池，避免頻繁創建和關閉數據庫連接，提高系統性能。提高數據訪問效率通過合理應用設計模式，如事務腳本模式、領域模型模式等，可以確保數據庫操作的一致性和完整性。設計模式還有助于實現數據校驗和錯誤處理機制，防止臟數據進入數據庫。增強數據一致性數據庫操作中的設計模式應用設計模式在圖形界面設計中可以幫助實現界面與邏輯的分離，使得界面更加美觀且易于維護。應用設計模式還可以實現豐富的交互效果，提升用戶的操作體驗。提升用戶體驗通過使用設計模式，如MVC模式、觀察者模式等，可以顯著提高圖形界面開發的效率。設計模式還有助于實現代碼復用和模塊化開發，降低開發成本。提高開發效率圖形界面設計中的設計模式應用05設計模式的優缺點及適用場景分析優點分析可重用性設計模式是經驗的總結，提供了可重用的設計思路，減少了重復勞動。靈活性設計模式使得軟件系統更加靈活，易于修改和擴展，提高了系統的可維護性。解耦性設計模式有助于降低系統各模塊之間的耦合度，增強系統的穩定性和可復用性。易于理解設計模式通常使用簡潔明了的命名和描述，使得開發人員更容易理解和交流設計意圖。學習和掌握設計模式需要一定的時間和精力投入，對于初學者可能存在一定的難度。學習成本過度使用設計模式可能導致系統變得復雜和難以理解，甚至可能引入不必要的抽象和開銷。過度使用如果不正確地使用設計模式，可能會導致系統出現問題，甚至背離設計模式的初衷。誤用風險缺點分析010203需要提高代碼的可復用性和可維護性設計模式通常提供了一種優秀的代碼結構，使得代碼更易于理解和維護，并且可以提高代碼的可復用性，從而減少開發成本。面向對象設計存在大量相似問題當在軟件設計中發現許多相似或重復出現的問題時，可以考慮使用設計模式來提供通用的解決方案，從而簡化設計過程。需求變化導致系統結構不穩定當系統需求經常發生變化，導致系統結構不穩定時，可以使用設計模式來增加系統的靈活性和可擴展性，使系統更容易適應變化。適用場景探討06大學生如何學習與應用設計模式單一職責原則一個類應該只有一個引起變化的原因，即每一個類應該只有一個職責。開放封閉原則軟件實體（類、模塊、函數等等）應當是可以擴展，而不可修改的。即對于擴展是開放的，對于修改是封閉的。里氏替換原則所有引用基類的地方必須能透明地使用其子類的對象。理解并掌握基本的設計原則案例學習是理解和掌握設計模式的有效途徑。通過分析具體案例，可以深入了解設計模式的應用場景和實現方式。觀察者模式案例通過實現一個觀察者模式的案例，理解對象間的一對多依賴關系，當一個對象改變狀態，則所有依賴于它的對象都會得到通知并被自動更新。工廠模式案例學習如何通過工廠模式創建對象，理解其封裝創建邏輯、降低代碼耦合度的優點。通過案例學習常見的設計模式提高代碼的可維護性和可擴展性應用設計模式可以使代碼更加清晰、易于理解，從而提高代碼的可維護性。設計模式還可以降低代碼的耦合度，提高代碼的可擴展性，便于后續的功能添加和修改。提升開發效率和質量熟練掌握設