軟件工程系統設計模式與原理習題集姓名_________________________地址_______________________________學號______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------線--------------------------1.請首先在試卷的標封處填寫您的姓名，身份證號和地址名稱。2.請仔細閱讀各種題目，在規定的位置填寫您的答案。一、選擇題1.結構型設計模式的主要目的是什么？

A.降低模塊間的耦合度

B.實現類和對象的復用

C.提高代碼的可維護性和可擴展性

D.以上都是

2.裝飾器模式與適配器模式的主要區別是什么？

A.裝飾器模式用于增加對象的功能，適配器模式用于改變接口

B.裝飾器模式是繼承，適配器模式是組合

C.裝飾器模式關注功能擴展，適配器模式關注接口轉換

D.以上都是

3.創建型模式中，單例模式和原型模式的主要應用場景是什么？

A.單例模式：創建唯一實例，如數據庫連接

B.原型模式：復制現有對象以創建新對象，如克隆

C.以上都是

D.以上都不是

4.享元模式和工廠方法模式的關系是怎樣的？

A.享元模式是工廠方法模式的一種特殊形式

B.工廠方法模式是享元模式的一種實現

C.兩者沒有直接關系

D.以上都不對

5.行為型模式中，命令模式和策略模式的主要應用場景是什么？

A.命令模式：解耦調用者和被調用者，如遠程控制

B.策略模式：定義一系列算法，在運行時選擇使用，如支付方式

C.以上都是

D.以上都不是

6.狀態模式和觀察者模式在系統設計中的作用是什么？

A.狀態模式：管理對象內部狀態轉換，如交通燈

B.觀察者模式：對象間的一對多依賴關系，如事件監聽

C.以上都是

D.以上都不是

7.享元模式和適配器模式在處理哪些問題時經常結合使用？

A.處理大量相似對象，降低內存消耗

B.處理不同類之間的接口轉換

C.以上都是

D.以上都不是

8.適配器模式與橋接模式的主要區別是什么？

A.適配器模式關注接口轉換，橋接模式關注抽象和實現分離

B.適配器模式是繼承，橋接模式是組合

C.適配器模式用于不同類之間的接口轉換，橋接模式用于不同實現之間的轉換

D.以上都是

答案及解題思路：

1.答案：D

解題思路：結構型設計模式旨在通過組合或繼承等手段來降低系統復雜性，從而提高代碼的可維護性和可擴展性。

2.答案：D

解題思路：裝飾器模式和適配器模式都旨在解決接口不兼容問題，但裝飾器模式是通過包裝對象來擴展功能，而適配器模式是通過適配器類來轉換接口。

3.答案：C

解題思路：單例模式用于創建唯一實例，如數據庫連接；原型模式用于復制現有對象以創建新對象，如克隆。

4.答案：A

解題思路：享元模式是工廠方法模式的一種特殊形式，它通過共享對象來減少內存消耗。

5.答案：C

解題思路：命令模式和策略模式都是行為型模式，命令模式用于解耦調用者和被調用者，策略模式用于定義一系列算法，在運行時選擇使用。

6.答案：C

解題思路：狀態模式和觀察者模式都是行為型模式，狀態模式用于管理對象內部狀態轉換，觀察者模式用于對象間的一對多依賴關系。

7.答案：C

解題思路：享元模式和適配器模式在處理大量相似對象和不同類之間的接口轉換問題時經常結合使用。

8.答案：D

解題思路：適配器模式關注接口轉換，橋接模式關注抽象和實現分離，兩者在實現方式上有所不同。二、填空題1.設計模式的基本原則包括：開閉原則、里氏替換原則、單一職責原則、依賴倒置原則和接口隔離原則。

2.裝飾器模式是一種結構型設計模式，主要用于動態地給對象添加一些額外的職責。

3.在工廠方法模式中，工廠類負責創建的對象是具體產品。

4.抽象工廠模式中，產品族由多個相互關聯的產品構成。

5.在觀察者模式中，當目標對象的狀態發生變化時，會自動通知所有的觀察者。

6.狀態模式中，狀態負責封裝與對象狀態相關的行為。

7.模板方法模式的主要特點是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。

8.命令模式中，命令對象負責封裝請求，使請求發送者和請求執行者解耦。

答案及解題思路：

1.答案：接口隔離原則

解題思路：接口隔離原則強調的是在軟件設計中應該提供盡可能小的接口，并保證這些接口只服務于一個職責。這是為了防止接口過大，導致客戶端代碼需要依賴不需要的功能，增加維護難度。

2.答案：結構型

解題思路：裝飾器模式屬于結構型設計模式，它通過動態地添加額外的職責來增強對象的功能，而不改變其接口。

3.答案：具體產品

解題思路：在工廠方法模式中，工廠類負責實例化具體產品類，而不是抽象產品類。

4.答案：多個相互關聯的產品

解題思路：抽象工廠模式定義了一個用于創建一系列相關或相互依賴對象的接口，這個接口由具體工廠實現，每個具體工廠創建的產品族中的產品是相互關聯的。

5.答案：觀察者

解題思路：觀察者模式中，目標對象（被觀察者）和觀察者之間建立了一種一對多的依賴關系。當目標對象的狀態發生變化時，它會自動通知所有的觀察者。

6.答案：狀態

解題思路：狀態模式是一種行為設計模式，它允許對象在其內部狀態改變時改變其行為。狀態負責封裝與對象狀態相關的行為。

7.答案：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

解題思路：模板方法模式定義了一個算法的骨架，將一些步驟延遲到子類中實現，使得子類可以在不改變算法結構的情況下重定義算法的某些步驟。

8.答案：封裝請求，使請求發送者和請求執行者解耦

解題思路：命令模式通過將請求封裝成對象，從而允許用戶使用不同的請求、隊列或日志請求，同時也能支持可撤銷的操作。這樣做可以使得請求發送者和請求執行者之間解耦。三、判斷題1.設計模式都是針對特定場景和問題的解決方案。

正確。設計模式是一種在特定場景下解決問題的通用、可復用的解決方案。

2.裝飾器模式和代理模式都可以實現動態地給對象添加職責。

正確。裝飾器模式和代理模式都可以在不改變對象內部結構的前提下，動態地為對象添加額外的職責。

3.工廠方法模式和抽象工廠模式都可以實現對象創建的封裝。

正確。兩種模式都封裝了對象的創建過程，使創建對象的過程與對象使用過程分離。

4.觀察者模式和狀態模式都是行為型設計模式。

正確。觀察者模式和狀態模式都是針對系統內部各元素之間交互的設計模式，屬于行為型設計模式。

5.享元模式和適配器模式都是結構型設計模式。

正確。享元模式關注如何共享相似的對象以節省資源，適配器模式關注如何實現不同類之間的接口兼容，二者都屬于結構型設計模式。

6.模板方法模式是一種創建型設計模式。

錯誤。模板方法模式是一種行為型設計模式，它定義了一個算法的骨架，將一些步驟延遲到子類中實現。

7.命令模式可以用于實現撤銷操作。

正確。命令模式允許將請求封裝為對象，從而實現可撤銷操作。

8.裝飾器模式和適配器模式都是用于解決接口不兼容問題的設計模式。

錯誤。裝飾器模式主要用于給對象動態地添加額外的職責，而適配器模式用于實現接口不兼容問題的解決。

答案及解題思路：

答案：

1.正確

2.正確

3.正確

4.正確

5.正確

6.錯誤

7.正確

8.錯誤

解題思路：

1.設計模式是面向對象設計的一種通用、可復用的解決方案，其目的是針對特定場景和問題提供解決方案。

2.裝飾器模式和代理模式都可以動態地給對象添加額外的職責，這是它們共有的特性。

3.工廠方法模式和抽象工廠模式都封裝了對象的創建過程，使對象的創建過程更加靈活和易于管理。

4.觀察者模式和狀態模式都是針對系統內部各元素之間交互的設計模式，屬于行為型設計模式。

5.享元模式和適配器模式都是針對對象間關系的處理，屬于結構型設計模式。

6.模板方法模式是一種定義算法骨架的設計模式，其目的是在運行時將算法的某些部分延遲到子類中實現，屬于行為型設計模式，而非創建型設計模式。

7.命令模式將請求封裝為對象，使得請求的操作可以保存和恢復，因此可以用于實現撤銷操作。

8.裝飾器模式用于動態地給對象添加額外的職責，而適配器模式用于解決接口不兼容問題，因此這兩種模式不是用于解決同一問題的設計模式。

：四、簡答題1.簡述設計模式的主要類型及其特點。

解答：

設計模式分為三大類：創建型模式、結構型模式和行為型模式。

創建型模式：關注對象創建過程，如工廠方法模式、抽象工廠模式等，特點是可以降低耦合度，使類與類之間的關系更加清晰。

結構型模式：關注類和對象的組合，如適配器模式、裝飾器模式等，特點是可以實現類的擴展，使系統更加靈活。

行為型模式：關注對象之間的交互，如觀察者模式、策略模式等，特點是可以降低類與類之間的耦合度，提高系統的可維護性。

2.簡述工廠方法模式的基本原理和適用場景。

解答：

工廠方法模式的基本原理是定義一個接口用于創建對象，但讓子類決定實例化哪個類。適用場景包括：

當需要創建的對象之間存在共性的情況下，如不同品牌手機；

當類之間的層次結構不固定，需要根據運行時條件來創建實例時；

當客戶端需要知道具體的產品類，但又不希望客戶端與產品類直接交互時。

3.簡述策略模式的基本原理和適用場景。

解答：

策略模式的基本原理是定義一系列算法，并將每個算法封裝起來，使它們可以相互替換。適用場景包括：

當需要動態選擇算法時；

當算法使用頻率較高，需要優化功能時；

當需要算法的透明性，即算法實現細節對使用算法的類透明時。

4.簡述觀察者模式的基本原理和適用場景。

解答：

觀察者模式的基本原理是當一個對象發生變化時，自動通知所有依賴于它的對象。適用場景包括：

當一個對象的狀態變化可能引起其他對象的相應行為時；

當系統需要實現異步通信時；

當系統需要實現分布式事件處理時。

5.簡述模板方法模式的基本原理和適用場景。

解答：

模板方法模式的基本原理是定義一個算法的骨架，并將一些步驟延遲到子類中實現。適用場景包括：

當算法步驟固定，但某些步驟的實現細節可能根據具體情況進行變化時；

當需要實現一些具有相似結構的算法，但具體步驟可能有所不同時；

當算法步驟較多，且每個步驟都需要進行抽象時。

6.簡述裝飾器模式的基本原理和適用場景。

解答：

裝飾器模式的基本原理是動態地給一個對象添加一些額外的職責，而不會影響其他對象。適用場景包括：

當需要給一個現有的對象添加一些額外功能時；

當需要實現一些可重用的代碼，但又不想改變原有類的代碼結構時；

當需要實現一些具有層次結構的對象時。

7.簡述適配器模式的基本原理和適用場景。

解答：

適配器模式的基本原理是提供一個接口，用于將兩個不兼容的對象連接在一起。適用場景包括：

當需要將一個類接口轉換成客戶端期望的另一個接口時；

當需要實現兩個不兼容的類之間的通信時；

當需要將一些已經存在的類，通過適配器使其與新的系統兼容時。

8.簡述享元模式的基本原理和適用場景。

解答：

享元模式的基本原理是運用共享技術有效地支持大量細粒度的對象。適用場景包括：

當系統需要存儲大量對象時，可以減少內存的使用；

當對象具有相似性，可以共享部分數據時；

當對象的創建和銷毀代價較高時，可以減少創建和銷毀的次數。五、應用題1.設計一個單例模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classSingleton:

_instance=None

staticmethod

defgetInstance():

ifSingleton._instanceisNone:

Singleton._instance=Singleton()

returnSingleton._instance

使用示例

singleton1=Singleton.getInstance()

singleton2=Singleton.getInstance()

print(singleton1issingleton2)輸出True

適用場景：

單例模式適用于以下場景：

系統中某個類一個實例，如數據庫連接池。

系統需要設置一個全局訪問點，如配置管理器。

系統中需要防止多個實例被創建，如序列化工具。

2.設計一個裝飾器模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

defdecorator(func):

defwrapper(args,kwargs):

print("裝飾器執行前")

result=func(args,kwargs)

print("裝飾器執行后")

returnresult

returnwrapper

decorator

defsay_hello(name):

print(f"Hello,{name}!")

使用示例

say_hello("Alice")

適用場景：

裝飾器模式適用于以下場景：

在不修改原有對象代碼的基礎上，增強對象的功能。

動態地給一個對象添加一些額外的職責。

處理那些可以添加到任何類的方法或功能。

3.設計一個工廠方法模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classDog:

defspeak(self):

return"Woof!"

classCat:

defspeak(self):

return"Meow!"

classAnimalFactory:

defcreate_animal(self,animal_type):

ifanimal_type=="dog":

returnDog()

elifanimal_type=="cat":

returnCat()

else:

raiseValueError("Unknownanimaltype")

使用示例

factory=AnimalFactory()

my_dog=factory.create_animal("dog")

print(my_dog.speak())

適用場景：

工廠方法模式適用于以下場景：

一個類不知道它所必須創建的對象的類。

需要一個接口來創建多個子類對象，且用戶只需知道創建對象的一個接口。

在一個系統中，需要根據不同的情況創建多個對象。

4.設計一個抽象工廠模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classColor:

pass

classRed(Color):

pass

classBlue(Color):

pass

classShape:

pass

classCircle(Shape):

pass

classSquare(Shape):

pass

classAbstractFactory:

defget_color(self):

pass

defget_shape(self):

pass

classColorFactory(AbstractFactory):

defget_color(self):

returnRed()

defget_shape(self):

returnCircle()

classShapeFactory(AbstractFactory):

defget_color(self):

returnBlue()

defget_shape(self):

returnSquare()

使用示例

factory=ColorFactory()

color=factory.get_color()

shape=factory.get_shape()

print(color,shape)

適用場景：

抽象工廠模式適用于以下場景：

一個系統不應當依賴于產品類實例的創建過程，或者這一過程無法預先知曉。

需要創建相關或依賴對象的家族，且這些對象長在一個接口中。

抽象工廠將一個層次的結構分離到不同的工廠類中，這樣的分離使得你可以更容易地改變一個層次的結構，而保持另一個層次不變。

5.設計一個策略模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classStrategy:

defdo_action(self):

pass

classConcreteStrategyA(Strategy):

defdo_action(self):

print("ConcreteStrategyA")

classConcreteStrategyB(Strategy):

defdo_action(self):

print("ConcreteStrategyB")

classContext:

def__init__(self,strategy:Strategy):

self._strategy=strategy

defset_strategy(self,strategy:Strategy):

self._strategy=strategy

defdo_action(self):

self._strategy.do_action()

使用示例

context=Context(ConcreteStrategyA())

context.do_action()

context.set_strategy(ConcreteStrategyB())

context.do_action()

適用場景：

策略模式適用于以下場景：

當算法需要根據當前環境的不同進行選擇時。

當一個系統需要實現算法的透明性時。

當一個操作需要多種算法實現，且算法需要經常更換時。

6.設計一個觀察者模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classSubject:

def__init__(self):

self._observers=

defattach(self,observer):

self._observers.append(observer)

defdetach(self,observer):

self._observers.remove(observer)

defnotify(self):

forobserverinself._observers:

observer.update()

classObserver:

defupdate(self):

pass

classConcreteObserverA(Observer):

defupdate(self):

print("ObserverAupdated")

classConcreteObserverB(Observer):

defupdate(self):

print("ObserverBupdated")

使用示例

subject=Subject()

observer_a=ConcreteObserverA()

observer_b=ConcreteObserverB()

subject.attach(observer_a)

subject.attach(observer_b)

subject.notify()

適用場景：

觀察者模式適用于以下場景：

當一個對象的狀態發生變化時需要通知其他對象。

當一個對象的行為需要與其他對象緊密綁定在一起時。

當需要在多個觀察者之間共享信息的場景。

7.設計一個模板方法模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classTemplateMethod:

deftemplate_method(self):

self.hook()

self.step1()

self.step2()

self.step3()

defhook(self):

pass

defstep1(self):

print("Step1")

defstep2(self):

print("Step2")

defstep3(self):

print("Step3")

classConcreteTemplateMethodA(TemplateMethod):

defhook(self):

print("HookA")

defstep3(self):

print("CustomStep3A")

classConcreteTemplateMethodB(TemplateMethod):

defhook(self):

print("HookB")

defstep1(self):

print("CustomStep1B")

使用示例

template_a=ConcreteTemplateMethodA()

template_b=ConcreteTemplateMethodB()

template_a.template_method()

template_b.template_method()

適用場景：

模板方法模式適用于以下場景：

當想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。

當希望讓一些步驟在不改變算法結構的情況下，可以被改變。

8.設計一個享元模式的實現，并說明其適用場景。

實現代碼：

classFlyweight:

defoperate(self,extrinsic_state):

pass

classConcreteFlyweightA(Flyweight):

defoperate(self,extrinsic_state):

print(f"ConcreteFlyweightAwithextrinsicstate:{extrinsic_state}")

classConcreteFlyweightB(Flyweight):

defoperate(self,extrinsic_state):

print(f"ConcreteFlyweightBwithextrinsicstate:{extrinsic_state}")

classFlyweightFactory:

def__init__(self):

self._flyweights={}

defget_flyweight(self,key):

ifkeynotinself._flyweights:

ifkey=="A":

self._flyweights[key]=ConcreteFlyweightA()

elifkey=="B":

self._flyweights[key]=ConcreteFlyweightB()

returnself._flyweights[key]

使用示例

factory=FlyweightFactory()

flyweight_a=factory.get_flyweight("A")

flyweight_a.operate("Someextrinsicstate")

適用場景：

享元模式適用于以下場景：

一個系統有大量對象，而這些對象內部狀態和外部狀態可以分離。

需要減少對象的創建數量，以節省內存空間。

需要避免大量具有相同內部狀態的實例被創建，從而提高功能。

答案及解題思路：

答案及解題思路內容將在后續提供，請參考上述代碼實現及適用場景。六、論述題1.結合實際項目，論述設計模式在軟件工程中的應用價值。

實際項目案例：以電商平臺的購物車模塊為例。

應用價值論述：

提高代碼重用性：通過設計模式，可以將購物車模塊的設計思路應用于其他系統中的購物車功能，減少重復開發。

增強代碼可讀性和可維護性：設計模式使代碼結構清晰，易于理解和維護。

提高系統擴展性：通過設計模式，可以在不修改原有代碼的基礎上，輕松添加新的功能。

2.論述設計模式在實際項目開發中的重要性。

重要性論述：

提高開發效率：設計模式提供了一套成熟的解決方案，減少了開發過程中的摸索和錯誤。

降低項目風險：設計模式考慮了系統的可維護性和可擴展性，降低了系統崩潰和維護難度。

提升團隊協作：設計模式有助于團隊成員之間的溝通和理解，提高團隊開發效率。

3.論述設計模式對軟件系統可維護性和可擴展性的影響。

影響論述：

可維護性：設計模式使系統結構清晰，易于理解和修改，降低了維護難度。

可擴展性：設計模式提供了靈活的模塊化設計，便于添加新功能或修改現有功能。

4.論述設計模式在實際項目中的實踐應用。

實踐應用案例：

單例模式：在數據庫連接管理中，使用單例模式保證全局一個數據庫連接實例。

工廠模式：在創建對象時，使用工廠模式減少系統間的耦合，提高代碼的可復用性。

觀察者模式：在事件監聽和消息傳遞中，使用觀察者模式使系統更加靈活和可擴展。

5.論述設計模式在實際項目中的優勢與不足。

優勢論述：

優勢一：提高代碼質量，降低維護成本。

優勢二：提高開發效率，縮短項目周期。

優勢三：增強系統可擴展性，適應業務需求變化。

不足論述：

不足一：設計模式的使用需要一定的學習成本，對開發人員的要求較高。

不足二：過度使用設計模式可能導致代碼復雜度增加，降低代碼可讀性。

不足三：設計模式可能對系統功能產生一定影響，特別是在高并發場景下。

答案及解題思路：

答案：

1.設計模式在軟件工程中的應用價值主要體現在提高代碼重用性、增強代碼可讀性和可維護性以及提高系統擴展性等方面。

2.設計模式在實際項目開發中的重要性體現在提高開發效率、降低項目風險以及提升團隊協作等方面。

3.設計模式對軟件系統可維護性和可擴展性的影響主要體現在降低維護難度和適應業務需求變化等方面。

4.設計模式在實際項目中的實踐應用包括單例模式、工廠模式、觀察者模式等。

5.設計模式在實際項目中的優勢包括提高代碼質量、降低維護成本、提高開發效率等；不足包括學習成本高、代碼復雜度增加、功能影響等。

解題思路：

1.結合實際項目案例，分析設計模式的應用場景和效果。

2.從重要性、可維護性、可擴展性等方面論述設計模式在軟件工程中的應用價值。

3.分析設計模式在實際項目中的實踐應用，結合具體案例進行闡述。

4.總結設計模式的優勢與不足，從不同角度進行分析。七、案例分析題1.分析一個實際項目中，設計模式的應用情況，并說明其效果。

案例背景：以某電