上海交大C++課件：剖析設(shè)計(jì)模式在實(shí)際編程中的應(yīng)用

上海交大C++課件：剖析設(shè)計(jì)模式在實(shí)際編程中的應(yīng)用匯報(bào)人：2024-11-16設(shè)計(jì)模式概述設(shè)計(jì)模式的基本原則常見設(shè)計(jì)模式解析設(shè)計(jì)模式在實(shí)際編程中的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景分析大學(xué)生如何學(xué)習(xí)與應(yīng)用設(shè)計(jì)模式目錄01設(shè)計(jì)模式概述定義分類關(guān)注對(duì)象之間的通信和協(xié)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(guān)注對(duì)象之間的組合和關(guān)聯(lián)方式，如適配器模式、橋接模式、組合模式等。結(jié)構(gòu)型模式關(guān)注對(duì)象的創(chuàng)建過程，如工廠方法模式、抽象工廠模式、建造者模式等。創(chuàng)建型模式設(shè)計(jì)模式是在軟件開發(fā)中，針對(duì)特定問題的優(yōu)雅解決方案，它是經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的智慧結(jié)晶。設(shè)計(jì)模式通常根據(jù)用途和范圍分為三類，即創(chuàng)建型模式、結(jié)構(gòu)型模式和行為型模式。定義與分類提升系統(tǒng)可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)模式有助于我們?cè)谙到y(tǒng)中定義良好的接口和抽象類，使得系統(tǒng)能夠更容易地進(jìn)行擴(kuò)展和適應(yīng)新的需求。提高代碼可重用性設(shè)計(jì)模式提供了一種優(yōu)秀的解決方案，使得代碼可以被重復(fù)利用，減少了代碼冗余，提高了開發(fā)效率。增加系統(tǒng)可維護(hù)性通過采用設(shè)計(jì)模式，可以使系統(tǒng)更加模塊化，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。設(shè)計(jì)模式的重要性設(shè)計(jì)模式提供了一套可重用的設(shè)計(jì)方案，使得開發(fā)人員可以更加便捷地構(gòu)建出高質(zhì)量的軟件系統(tǒng)。提高軟件可復(fù)用性通過應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，可以降低軟件系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高代碼的可讀性和可維護(hù)性，從而減少軟件維護(hù)成本。增強(qiáng)軟件可維護(hù)性設(shè)計(jì)模式作為一種通用的設(shè)計(jì)語言，有助于團(tuán)隊(duì)成員之間更加順暢地交流和協(xié)作，提高開發(fā)效率。促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作設(shè)計(jì)模式與軟件開發(fā)的關(guān)系02設(shè)計(jì)模式的基本原則一個(gè)類應(yīng)該只有一個(gè)引起變化的原因，即每一個(gè)類應(yīng)該只有一個(gè)職責(zé)。定義在編程中，如果一個(gè)類承擔(dān)的職責(zé)過多，就等于把這些職責(zé)耦合在一起，一個(gè)職責(zé)的變化可能會(huì)削弱或者抑制這個(gè)類完成其他職責(zé)的能力。這種耦合會(huì)導(dǎo)致脆弱的設(shè)計(jì)，當(dāng)變化發(fā)生時(shí)，設(shè)計(jì)會(huì)遭受到意想不到的破壞。因此，應(yīng)該將不同的職責(zé)分離到不同的類中，使每個(gè)類只有一個(gè)職責(zé)，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。應(yīng)用單一職責(zé)原則軟件實(shí)體（類、模塊、函數(shù)等等）應(yīng)當(dāng)是可擴(kuò)展，而不可修改的。即對(duì)于擴(kuò)展是開放的，對(duì)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(kuò)展已有軟件系統(tǒng)的方式來提供新的行為，而不是通過修改已有的代碼來實(shí)現(xiàn)。這樣可以保證原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)又能滿足新的需求。為了實(shí)現(xiàn)開放封閉原則，我們可以采用抽象和接口等技術(shù)手段來定義系統(tǒng)的可擴(kuò)展點(diǎn)，從而允許新的行為以擴(kuò)展的方式加入到系統(tǒng)中。應(yīng)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(duì)象。即子類必須能夠替換掉它們的父類。應(yīng)用在編程中，里氏替換原則要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)類的時(shí)候，要保證子類在替換父類后，程序的行為不會(huì)發(fā)生變化。這個(gè)原則強(qiáng)調(diào)了基類和子類之間的行為應(yīng)該是一致的，即子類不應(yīng)該引入新的行為或者破壞父類的行為。為了實(shí)現(xiàn)里氏替換原則，我們可以采用繼承和多態(tài)等技術(shù)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(yīng)該依賴于低層模塊，兩者都應(yīng)該依賴于抽象；抽象不應(yīng)該依賴于細(xì)節(jié)，細(xì)節(jié)應(yīng)該依賴于抽象。01依賴倒置原則應(yīng)用在編程中，依賴倒置原則要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候，要盡量減少類之間的耦合度，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(guān)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(tǒng)之間的耦合度，提高系統(tǒng)的靈活性和可重用性。02接口隔離原則定義客戶端不應(yīng)該依賴它不需要的接口；一個(gè)類對(duì)另一個(gè)類的依賴性應(yīng)當(dāng)是建立在最小的接口上。應(yīng)用在編程中，接口隔離原則要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)接口的時(shí)候，應(yīng)該盡量將接口細(xì)化，避免設(shè)計(jì)出過于龐大和復(fù)雜的接口。如果一個(gè)接口包含了太多的方法，那么實(shí)現(xiàn)這個(gè)接口的類就必須實(shí)現(xiàn)所有的方法，即使有些方法并不是這個(gè)類所需要的。這會(huì)導(dǎo)致代碼的冗余和浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)成本。因此，我們應(yīng)該將接口拆分成多個(gè)小接口，每個(gè)接口只包含一組相關(guān)的方法，從而使得類只需要實(shí)現(xiàn)它們真正需要的方法。這樣可以提高系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。03常見設(shè)計(jì)模式解析定義一個(gè)用于創(chuàng)建對(duì)象的接口，讓子類決定實(shí)例化哪一個(gè)類。工廠方法使一個(gè)類的實(shí)例化延遲到其子類。提供一個(gè)接口，用于創(chuàng)建相關(guān)或依賴對(duì)象的家族，而不需要明確指定具體類。將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象的構(gòu)建與它的表示分離，使得同樣的構(gòu)建過程可以創(chuàng)建不同的表示。確保一個(gè)類僅有一個(gè)實(shí)例，并提供一個(gè)訪問它的全局訪問點(diǎn)。創(chuàng)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(gè)類的接口轉(zhuǎn)換成客戶期望的另一個(gè)接口。適配器模式讓原本接口不兼容的類可以合作無間。結(jié)構(gòu)型模式01橋接模式將抽象部分與它的實(shí)現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨(dú)立地變化。02組合模式允許你將對(duì)象組合成樹形結(jié)構(gòu)以表示“部分-整體”的層次結(jié)構(gòu)，組合模式使得用戶對(duì)單個(gè)對(duì)象和組合對(duì)象的使用具有一致性。03裝飾器模式動(dòng)態(tài)地給一個(gè)對(duì)象添加一些額外的職責(zé)，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(tài)模式允許一個(gè)對(duì)象在其內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)改變它的行為。對(duì)象看起來似乎修改了它的類。觀察者模式定義對(duì)象間的一種一對(duì)多的依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，所有依賴于它的對(duì)象都得到通知并被自動(dòng)更新。模板方法模式定義一個(gè)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(gè)算法的結(jié)構(gòu)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(gè)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(dú)立于使用它的客戶變化。行為型模式04設(shè)計(jì)模式在實(shí)際編程中的應(yīng)用場(chǎng)景優(yōu)化游戲性能合理的設(shè)計(jì)模式應(yīng)用能夠有效地降低游戲的資源消耗，提高運(yùn)行效率，為玩家?guī)砀恿鲿车挠螒蝮w驗(yàn)。提高游戲可擴(kuò)展性在游戲開發(fā)中，設(shè)計(jì)模式可以幫助開發(fā)者更好地組織代碼，使得游戲功能更加模塊化，便于后續(xù)擴(kuò)展和維護(hù)。增強(qiáng)游戲交互性通過應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，游戲中的角色、場(chǎng)景等元素可以更加靈活地交互，提升游戲體驗(yàn)。游戲開發(fā)中的設(shè)計(jì)模式應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編程面臨著復(fù)雜的通信和數(shù)據(jù)處理問題，設(shè)計(jì)模式在此領(lǐng)域的應(yīng)用能夠顯著提升代碼的健壯性和可維護(hù)性。設(shè)計(jì)模式如工廠模式、單例模式等可以幫助管理和組織網(wǎng)絡(luò)通信中的對(duì)象，降低通信復(fù)雜性。簡化網(wǎng)絡(luò)通信觀察者模式、策略模式等設(shè)計(jì)模式能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程，提高網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理效率。提升數(shù)據(jù)處理效率通過代理模式、門面模式等設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用，可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性，防止惡意攻擊。增強(qiáng)系統(tǒng)安全性網(wǎng)絡(luò)編程中的設(shè)計(jì)模式應(yīng)用使用設(shè)計(jì)模式可以優(yōu)化數(shù)據(jù)庫查詢，減少不必要的數(shù)據(jù)訪問，從而提升數(shù)據(jù)訪問效率。設(shè)計(jì)模式還可以幫助實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接池，避免頻繁創(chuàng)建和關(guān)閉數(shù)據(jù)庫連接，提高系統(tǒng)性能。提高數(shù)據(jù)訪問效率通過合理應(yīng)用設(shè)計(jì)模式，如事務(wù)腳本模式、領(lǐng)域模型模式等，可以確保數(shù)據(jù)庫操作的一致性和完整性。設(shè)計(jì)模式還有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)和錯(cuò)誤處理機(jī)制，防止臟數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫。增強(qiáng)數(shù)據(jù)一致性數(shù)據(jù)庫操作中的設(shè)計(jì)模式應(yīng)用設(shè)計(jì)模式在圖形界面設(shè)計(jì)中可以幫助實(shí)現(xiàn)界面與邏輯的分離，使得界面更加美觀且易于維護(hù)。應(yīng)用設(shè)計(jì)模式還可以實(shí)現(xiàn)豐富的交互效果，提升用戶的操作體驗(yàn)。提升用戶體驗(yàn)通過使用設(shè)計(jì)模式，如MVC模式、觀察者模式等，可以顯著提高圖形界面開發(fā)的效率。設(shè)計(jì)模式還有助于實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用和模塊化開發(fā)，降低開發(fā)成本。提高開發(fā)效率圖形界面設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)模式應(yīng)用05設(shè)計(jì)模式的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景分析優(yōu)點(diǎn)分析可重用性設(shè)計(jì)模式是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，提供了可重用的設(shè)計(jì)思路，減少了重復(fù)勞動(dòng)。靈活性設(shè)計(jì)模式使得軟件系統(tǒng)更加靈活，易于修改和擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性。解耦性設(shè)計(jì)模式有助于降低系統(tǒng)各模塊之間的耦合度，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可復(fù)用性。易于理解設(shè)計(jì)模式通常使用簡潔明了的命名和描述，使得開發(fā)人員更容易理解和交流設(shè)計(jì)意圖。學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)模式需要一定的時(shí)間和精力投入，對(duì)于初學(xué)者可能存在一定的難度。學(xué)習(xí)成本過度使用設(shè)計(jì)模式可能導(dǎo)致系統(tǒng)變得復(fù)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(shè)計(jì)模式，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)問題，甚至背離設(shè)計(jì)模式的初衷。誤用風(fēng)險(xiǎn)缺點(diǎn)分析010203需要提高代碼的可復(fù)用性和可維護(hù)性設(shè)計(jì)模式通常提供了一種優(yōu)秀的代碼結(jié)構(gòu)，使得代碼更易于理解和維護(hù)，并且可以提高代碼的可復(fù)用性，從而減少開發(fā)成本。面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)存在大量相似問題當(dāng)在軟件設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)許多相似或重復(fù)出現(xiàn)的問題時(shí)，可以考慮使用設(shè)計(jì)模式來提供通用的解決方案，從而簡化設(shè)計(jì)過程。需求變化導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定當(dāng)系統(tǒng)需求經(jīng)常發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時(shí)，可以使用設(shè)計(jì)模式來增加系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，使系統(tǒng)更容易適應(yīng)變化。適用場(chǎng)景探討06大學(xué)生如何學(xué)習(xí)與應(yīng)用設(shè)計(jì)模式單一職責(zé)原則一個(gè)類應(yīng)該只有一個(gè)引起變化的原因，即每一個(gè)類應(yīng)該只有一個(gè)職責(zé)。開放封閉原則軟件實(shí)體（類、模塊、函數(shù)等等）應(yīng)當(dāng)是可以擴(kuò)展，而不可修改的。即對(duì)于擴(kuò)展是開放的，對(duì)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(duì)象。理解并掌握基本的設(shè)計(jì)原則案例學(xué)習(xí)是理解和掌握設(shè)計(jì)模式的有效途徑。通過分析具體案例，可以深入了解設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)現(xiàn)方式。觀察者模式案例通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)觀察者模式的案例，理解對(duì)象間的一對(duì)多依賴關(guān)系，當(dāng)一個(gè)對(duì)象改變狀態(tài)，則所有依賴于它的對(duì)象都會(huì)得到通知并被自動(dòng)更新。工廠模式案例學(xué)習(xí)如何通過工廠模式創(chuàng)建對(duì)象，理解其封裝創(chuàng)建邏輯、降低代碼耦合度的優(yōu)點(diǎn)。通過案例學(xué)習(xí)常見的設(shè)計(jì)模式提高代碼的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性應(yīng)用設(shè)計(jì)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(hù)性。設(shè)計(jì)模式還可以降低代碼的耦合度，提高代碼的可擴(kuò)展性，便于后續(xù)的功能添加和修改。提升開發(fā)效率和質(zhì)量熟練掌握設(shè)