設計模式詳解之創建型模式——單例、原型和工廠

来源:https://www.cnblogs.com/damocleses/archive/2022/04/26/16194630.html
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前言 本文主要介紹ArcGis的ArcEngine開發，學習時，我們需要放下心裡障礙，那就是Gis開發只是普通的軟體開發，並不需要專業的GIS知識，就是非常普通的，調用相關的C++開發的COM組件。 開發環境：VS2017。 ArcEngine版本：10.1。 基礎學習 正式使用ArcGis之前，需 ...


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前言：相信作為程式開發，或多或少都接觸甚至使用過設計模式，甚至對於有些設計模式的概念都已經很熟悉了，但是在實際開發項目的時候是否有使用過這些模式呢，可能比較少甚至沒有。有些設計模式確實在架構中更實用一些，這也是部分原因。但不管怎樣，最起碼常用的幾種設計模式還是需要瞭解的，本文介紹幾種常見的設計模式，希望讀者能從中有所收穫並學以致用。

什麼是設計模式

設計模式（Design Pattern）是前輩們對代碼開發經驗的總結，是解決特定問題的一系列套路。它不是語法規定，而是一套用來提高代碼 可復用性 、 可維護性 、可讀性、穩健性以及安全性的解決方案。

假設有一個空房間，我們要日復一日地往裡 面放一些東西。最簡單的辦法當然是把這些東西 直接扔進去，但是時間久了，就會發現很難從這 個房子里找到自己想要的東西，要調整某幾樣東 西的位置也不容易。所以在房間里做一些柜子也 許是個更好的選擇，雖然柜子會增加我們的成 本，但它可以在維護階段為我們帶來好處。使用 這些柜子存放東西的規則，或許就是一種模式。

在 1994 年，由 Erich Gamma、Richard Helm、Ralph Johnson 和 John Vlissides 四人合著出版了一本名為 Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文譯名：設計模式 - 可復用的面向對象軟體元素） 的書，該書首次提到了軟體開發中設計模式的概念。
四位作者合稱 GOF（四人幫，全拼 Gang of Four）。他們所提出的設計模式主要是基於以下的面向對象設計原則。

  • 對介面編程而不是對實現編程——依賴倒置原則
  • 優先使用對象組合而不是繼承——合成復用原則。

設計模式的六大原則：

  1. 單一職責原則（Single Responsibility Principle）。職責清晰
  2. 里氏替換原則（Liskov Substitution Principle）——任何使用基類的地方，都可以透明的使用其子類
  3. 迪米特法則 （Law Of Demeter）—— 一個對象應該對其他對象保持最少的瞭解，即高聚合低耦合
  4. 依賴倒置原則（Dependence Inversion Principle）—— 依賴抽象，而不是依賴細節
  5. 介面隔離原則（Interface Segregation Principle）—— 客戶端不應該依賴它不需要的介面； 一個類對另一個類的依賴應該建立在最小的介面上；
  6. 開閉原則 （Open Closed Principle) —— 對擴展開發，對修改關閉

創建型模式

單例模式（Singleton Pattern）

單例模式想必大家都已經耳熟能詳了，這是很常見的一種設計模式，也是最簡單的一種設計模式。它提供了一種創建對象的最佳方式。這種模式涉及到一個單一的類，該類負責創建自己的對象，同時確保只有單個對象被創建。這個類提供了一種訪問其唯一的對象的方式，可以直接訪問，不需要實例化該類的對象。

使用單例模式的實例：.NET Core依賴註入生命周期中的Singleton。生命周期為Singleton的服務全局唯一，每次調用都是調用的同一個服務.

單例模式有兩種寫法，懶漢式和餓漢式。

懶漢式，顧名思義，比較懶，一開始的時候不會創建對象，要用到了才會想起來去創建對象，寫法如下：

//懶漢式單例寫法
public class SingletonPattern
{
    private static SingletonPattern _singletonInstance;
    //構造函數私有化是關鍵
    private SingletonPattern()
    {
 
    }
    //雙重檢驗，提升性能
    public static SingletonPattern GetInstance(bool useLock = true)
        {
         if (_singletonInstance is null)
            {
                lock (singleton_lock)
                {
                    if (_singletonInstance is null)
                    {
                        _singletonInstance = new SingletonPattern();
                    }
                }
            }
            return _singletonInstance;
       }
}

註意：懶漢式要考慮多線程安全問題，這裡使用雙重檢驗鎖以確保線程安全並提升性能

餓漢式比較簡單，只需要做個是否已經創建的判斷即可，寫法如下：

//餓漢式單例寫法
public class SingletonPattern
{
    private static SingletonPattern _singletonInstance = new SingletonPattern();
    //構造函數私有化是關鍵
    private SingletonPattern()
    {
 
    }
 
    public static SingletonPattern GetInstance(bool useLock = true)
        {          
            if (_singletonInstance is null)
            {
                _singletonInstance = new SingletonPattern();
            }            
            return _singletonInstance;
       }
}

該模式的適用場景：

  • 一個全局類，頻繁創建和銷毀，如服務類、工具類等
  • 需要控制實例數量，節約系統資源的時候

原型模式（Prototype Pattern）

原型模式（Prototype Pattern）是用於創建重覆的對象，同時又能保證性能。這種類型的設計模式屬於創建型模式，它提供了一種創建對象的最佳方式。這種模式是實現了一個原型介面，該介面用於創建當前對象的克隆。當直接創建對象的代價比較大時，則採用這種模式。例如，一個對象需要在一個高代價的資料庫操作之後被創建。我們可以緩存該對象，在下一個請求時返回它的克隆，在需要的時候更新資料庫，以此來減少資料庫調用。

原型模式的難點在於對對象的克隆，如果對象比較複雜，嵌套的屬性對象比較多，自己實現克隆方法會比較麻煩。不過還好目前主流語言都支持深度克隆對象，如Java的Serializable， javascript的cloneDeep等等，深度克隆也可以通過序列化和反序列化來實現，因此支持序列化和反序列化的語言都可以用這種方式實現深度克隆。

原型的實現方式與單例相差不大，重點是返回的實例是克隆對象

public class PrototypePattern
   {
       private static PrototypePattern _protetypeInstance = new PrototypePattern();
 
       private PrototypePattern()
       {
 
       }
 
       public static PrototypePattern GetInstance()
       {
           //重點在於返回克隆的對象
           PrototypePattern clone = GetDeepCloneObj();
           return clone;
       }
   }

原型適用場景：

  • 對象創建複雜，消耗資源大，又需要重覆創建類似對象

工廠模式（Factory Pattern）

工廠模式在GOF的設計模式中分為工廠方法和抽象工廠，實際上簡單工廠、工廠方法和抽象工廠的分類更為普遍一些。

簡單工廠模式（Sinple Factory Pattern）

簡單工廠主要隔離了使用者和產品，使用者需要使用產品時，直接向工廠請求，而不用知道具體產品的實現。也就是前面說的依賴倒置原則!

簡單工廠

上圖可以看出，用戶要創建一個產品，不需要知道產品的具體實現，只需要知道創建產品的工廠即可。實現代碼如下：

public class SimpleFactoryPattern
    {
        public static IRunner CreateRunner(PatternEnum pattern)
        {
            switch (pattern)
            {
                case PatternEnum.Singleton:
                    return new SingletonRunner();
                case PatternEnum.Prototype:
                    return new PrototypeRunner();
                case PatternEnum.Factory_Method:
                    return new FactoryMethodRunner();
                case PatternEnum.Abstract_Factory:
                    return new AbstractFactoryRunner();
                default:
                    return null;
            }
        }
    }
 
//使用
class Program
  {
        static void Main(string[] args)
        {
            var pattern = PatternEnum.Abstract_Factory;
            var prototype = SimpleFactoryPattern.CreateRunner(pattern);
            prototype.Run();
 
            Console.ReadKey();
        }
  }

簡單工廠適用於比較簡單的情況下，可以屏蔽對象創建細節，對於對象來說符合開閉原則。但是對於工廠來說並不符合開閉原則，因為當需要新增一個對象時，需要修改工廠的內容。另外當需要生成的對象過多時或者經常需要修改時，該模式就顯得不夠用了。

這時候就需要使用工廠方法了

工廠方法模式（Factory Method Pattern）

工廠方法

如上圖，工廠方法相比於簡單工廠，改變在於將具體的工廠也屏蔽了，用戶不需要知道需要用什麼工廠，只要調用抽象工廠的方法即可。實現如下：

 //抽象工廠
 public abstract class MounseFactoryMethod
   {
       public abstract IMouse CreateMouse();
   }
   //具體實現工廠
   public class DellMouseFactory : MounseFactoryMethod
   {
       public override IMouse CreateMouse()
       {
           return new DellMouse();
       }
   }
   //具體實現工廠
   public class HpMouseFactory : MounseFactoryMethod
   {
       public override IMouse CreateMouse()
       {
           return new HpMouse();
       }
   }
   //當具體的實現工廠太多時，可以結合簡單工廠，利用簡單工廠創建具體工廠
   //也可以利用反射創建工廠
   public class MouseFactory
   {
       public static MounseFactoryMethod CreateMouseFactory(BrandEnum brand)
       {
           switch (brand)
           {
               case BrandEnum.Dell:
                   return new DellMouseFactory();
               case BrandEnum.Hp:
                   return new HpMouseFactory();
               default:
                   return null;
           }
       }
   }
 
   //使用
   class Program
 {
       static void Main(string[] args)
       {                       
           var mouseFactory = MouseFactory.CreateMouseFactory(BrandEnum.Dell);
           var mouse = mouseFactory.CreateMouse();
           mouse.Click();        
       }
 }

工廠方法的工廠是符合開閉原則的，當有新產品時，只需要添加新的工廠即可，不需要改動已有工廠代碼。
在上面的代碼中，我們抽象了一個滑鼠生產工廠MounseFactoryMethod，兩個具體生產工廠DellMouseFactory 和HpMouseFactory 。另外還額外使用了一個簡單工廠MouseFactory來選擇要使用的具體工廠。

工廠方法在實際使用中比較常見，當需要創建的對象種類比較多且新增或刪除比較頻繁時，工廠方法是不錯的選擇。

抽象工廠（Abstract Factory）

首先瞭解下產品族的概念：

產品族

如上圖，擁有相同特性的產品稱為一個產品等級，同一產品平臺的不同產品稱為一個產品族。

抽象工廠用於處理比較複雜的產品。舉個例子，上述工廠方法中的MounseFactoryMethod專門用於生產滑鼠，而DellMouseFactory 和HpMouseFactory 則分別用於生產戴爾滑鼠和惠普滑鼠，它們都是一個產品等級的產品。當我們不僅需要生產滑鼠，還要生成鍵盤時，光是一個MounseFactoryMethod已經不能滿足生產需要，這時候工廠生產的就不只是單一產品，而是一個產品族。類圖如下：

抽象工廠

上圖中，我們定義了一個ComputerFactory，這個工廠能夠生產更豐富的產品(滑鼠和鍵盤)，戴爾和惠普分別有獨立的工廠生產自己的滑鼠和鍵盤。

像上圖這種，生產產品族的工廠稱為抽象工廠。

抽象工廠和工廠方法的區別在於，工廠方法只能生產單一產品，也就是產品介面只有一個，而抽象工廠的產品可能是來自不同的介面。
實現代碼如下：

public abstract class ComputerAbstractFactory
  {
      public abstract IMouse CreateMouse();
      public abstract IKeyboard CreateKeyboard();
  }
 
  public class DellAbstractFactory : ComputerAbstractFactory
  {
      public override IKeyboard CreateKeyboard()
      {
          return new DellKeyboard();
      }
 
      public override IMouse CreateMouse()
      {
          return new DellMouse();
      }
  }
 
  public class HpAbstractFactory : ComputerAbstractFactory
  {
      public override IKeyboard CreateKeyboard()
      {
          return new HpKeyboard();
      }
 
      public override IMouse CreateMouse()
      {
          return new HpMouse();
      }
  }
 
  //使用
  class Program
{
      static void Main(string[] args)
      {                                 
          Console.WriteLine("使用抽象工廠 DellAbstractFactory 創建產品");
          var dellFactory = new DellAbstractFactory();
          dellFactory.CreateKeyboard().Click();
          dellFactory.CreateMouse().Click();
 
          Console.WriteLine("使用抽象工廠 HpAbstractFactory 創建產品");
          var hpFactory = new HpAbstractFactory();
          hpFactory.CreateKeyboard().Click();
          hpFactory.CreateMouse().Click();            
      }
}

工廠模式總結

  1. 簡單工廠不符合開閉原則，僅使用於產品種類少、修改不頻繁的情況
  2. 工廠方法符合開閉原則，但只適用單一產品等級的情況
  3. 抽象工廠符合開閉原則，適用於生產產品族的情況

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