图解常见的九种设计模式

 

本文转载自微信公众号「全栈修仙之路」，图解作者阿宝哥。设计转载本文请联系全栈修仙之路公众号。模式

在软件工程中，图解设计模式(Design Pattern)是设计对软件设计中普遍存在(反复出现)的各种问题，所提出的模式解决方案。根据模式的图解目的来划分的话，GoF(Gang of Four)设计模式可以分为以下 3 种类型：

1、设计创建型模式：用来描述 “如何创建对象”，模式它的图解主要特点是 “将对象的创建和使用分离”。包括单例、设计原型、模式工厂方法、图解抽象工厂和建造者 5 种模式。设计

2、模式结构型模式：用来描述如何将类或对象按照某种布局组成更大的结构。包括代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元和组合 7 种模式。

3、行为型模式：用来识别对象之间的b2b信息网常用交流模式以及如何分配职责。包括模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录和解释器 11 种模式。

接下来阿宝哥将结合一些生活中的场景并通过精美的配图，来向大家介绍 9 种常用的设计模式。

一、建造者模式

建造者模式(Builder Pattern)将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。

一辆小汽车 🚗 通常由 发动机、底盘、车身和电气设备 四大部分组成。汽车电气设备的内部构造很复杂，简单起见，我们只考虑三个部分：引擎、底盘和车身。

在现实生活中，小汽车也是由不同的零部件组装而成，亿华云计算比如上图中我们把小汽车分成引擎、底盘和车身三大部分。下面我们来看一下如何使用建造者模式来造车子。

1.1 实现代码

class Car {    constructor(     public engine: string,     public chassis: string,      public body: string   ) { } } class CarBuilder {    engine!: string; // 引擎   chassis!: string; // 底盘   body!: string; // 车身   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);   } } 

在以上代码中，我们定义一个 CarBuilder 类，并提供了 addChassis、addEngine和 addBody 3 个方法用于组装车子的不同部位，当车子的 3 个部分都组装完成后，调用build 方法就可以开始造车。

1.2 使用示例

const car = new CarBuilder()   .addEngine(v12)   .addBody(镁合金)   .addChassis(复合材料)   .build(); 

1.3 应用场景及案例

需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员属性。

需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序。

隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。

Github - node-sql-query：https://github.com/dresende/node-sql-query

二、工厂模式

在现实生活中，工厂是负责生产产品的，比如牛奶、面包或礼物等，这些产品满足了我们日常的生理需求。源码库

在众多设计模式当中，有一种被称为工厂模式的设计模式，它提供了创建对象的最佳方式。工厂模式可以分为：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。

2.1 简单工厂

简单工厂模式又叫 静态方法模式，因为工厂类中定义了一个静态方法用于创建对象。简单工厂让使用者不用知道具体的参数就可以创建出所需的 ”产品“ 类，即使用者可以直接消费产品而不需要知道产品的具体生产细节。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王和小秦分别向 BMW 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车型，接着工厂会先判断用户选择的车型，然后按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

下面我们来看一下如何使用简单工厂来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.1.1 实现代码

abstract class BMW {    abstract run(): void; } class BMW730 extends BMW {    run(): void {      console.log("BMW730 发动咯");   } } class BMW840 extends BMW {    run(): void {      console.log("BMW840 发动咯");   } } class BMWFactory {    public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {      if (model === "730") {        return new BMW730();     } else {        return new BMW840();     }   } } 

在以上代码中，我们定义一个 BMWFactory 类，该类提供了一个静态的 produceBMW()方法，用于根据不同的模型参数来创建不同型号的车子。

2.1.2 使用示例

const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730"); const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840"); bmw730.run(); bmw840.run(); 

2.1.3 应用场景

工厂类负责创建的对象比较少：由于创建的对象比较少，不会造成工厂方法中业务逻辑过于复杂。 客户端只需知道传入工厂类静态方法的参数，而不需要关心创建对象的细节。

2.2 工厂方法

工厂方法模式(Factory Method Pattern)又称为工厂模式，也叫多态工厂(Polymorphic Factory)模式，它属于类创建型模式。

在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象， 这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王和小秦分别向 BMW 730 和 BMW 840 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车子，接着工厂按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

同样，我们来看一下如何使用工厂方法来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.2.1 实现代码

abstract class BMWFactory {    abstract produceBMW(): BMW; } class BMW730Factory extends BMWFactory {    produceBMW(): BMW {      return new BMW730();   } } class BMW840Factory extends BMWFactory {    produceBMW(): BMW {      return new BMW840();   } } 

在以上代码中，我们分别创建了 BMW730Factory 和 BMW840Factory 两个工厂类，然后使用这两个类的实例来生产不同型号的车子。

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(); 

2.2.3 应用场景

一个类不知道它所需要的对象的类：在工厂方法模式中，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建;客户端需要知道创建具体产品的工厂类。 一个类通过其子类来指定创建哪个对象：在工厂方法模式中，对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口，而由其子类来确定具体要创建的对象，利用面向对象的多态性和里氏代换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，从而使得系统更容易扩展。

2.3 抽象工厂

抽象工厂模式(Abstract Factory Pattern)，提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。

在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品，每一个具体工厂对应一种具体产品，工厂方法也具有唯一性，一般情况下，一个具体工厂中只有一个工厂方法或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们需要一个工厂可以提供多个产品对象，而不是单一的产品对象。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王向 BMW 工厂订购了 BMW730，工厂按照 730 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小王。而小秦向同一个 BMW 工厂订购了 BMW840，工厂按照 840 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小秦。

下面我们来看一下如何使用抽象工厂来描述上述的购车过程。

2.3.1 实现代码

abstract class BMWFactory {    abstract produce730BMW(): BMW730;   abstract produce840BMW(): BMW840; } class ConcreteBMWFactory extends BMWFactory {    produce730BMW(): BMW730 {      return new BMW730();   }   produce840BMW(): BMW840 {      return new BMW840();   } } 

2.3.2 使用示例

const bmwFactory = new ConcreteBMWFactory(); const bmw730 = bmwFactory.produce730BMW(); const bmw840 = bmwFactory.produce840BMW(); bmw730.run(); bmw840.run(); 

2.3.3 应用场景

一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有类型的工厂模式都是重要的。 系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。 系统提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于具体实现。

三、单例模式

单例模式(Singleton Pattern)是一种常用的模式，有一些对象我们往往只需要一个，比如全局缓存、浏览器中的 window 对象等。单例模式用于保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

在上图中，阿宝哥模拟了借车的流程，小王临时有急事找阿宝哥借车子，阿宝哥家的车子刚好没用，就借给小王了。当天，小秦也需要用车子，也找阿宝哥借车，因为阿宝哥家里只有一辆车子，所以就没有车可借了。

对于车子来说，它虽然给生活带来了很大的便利，但养车也需要一笔不小的费用(车位费、油费和保养费等)，所以阿宝哥家里只有一辆车子。

在开发软件系统时，如果遇到创建对象时耗时过多或耗资源过多，但又经常用到的对象，我们就可以考虑使用单例模式。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现单例模式。

3.1 实现代码

class Singleton {    // 定义私有的静态属性，来保存对象实例   private static singleton: Singleton;   private constructor() { }   // 提供一个静态的方法来获取对象实例   public static getInstance(): Singleton {      if (!Singleton.singleton) {        Singleton.singleton = new Singleton();     }     return Singleton.singleton;   } } 

3.2 使用示例

let instance1 = Singleton.getInstance(); let instance2 = Singleton.getInstance(); console.log(instance1 === instance2); // true 

3.3 应用场景

需要频繁实例化然后销毁的对象。 创建对象时耗时过多或耗资源过多，但又经常用到的对象。 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

四、适配器模式

在实际生活中，也存在适配器的使用场景，比如：港式插头转换器、电源适配器和 USB 转接口。而在软件工程中，适配器模式的作用是解决两个软件实体间的接口不兼容的问题。使用适配器模式之后，原本由于接口不兼容而不能工作的两个软件实体就可以一起工作。

4.1 实现代码

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}`);   } } 

在以上代码中，因为 Logger 和 CloudLogger 这两个接口不匹配，所以我们引入了 CloudLoggerAdapter 适配器来解决兼容性问题。

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); })(); 

4.3 应用场景及案例

以前开发的系统存在满足新系统功能需求的类，但其接口同新系统的接口不一致。 使用第三方提供的组件，但组件接口定义和自己要求的接口定义不同。 Github - axios-mock-adapter：https://github.com/ctimmerm/axios-mock-adapter

五、观察者模式 & 发布订阅模式

5.1 观察者模式

观察者模式，它定义了一种一对多的关系，让多个观察者对象同时监听某一个主题对象，这个主题对象的状态发生变化时就会通知所有的观察者对象，使得它们能够自动更新自己。

在观察者模式中有两个主要角色：Subject(主题)和 Observer(观察者)。

在上图中，Subject(主题)就是阿宝哥的 TS 专题文章，而观察者就是小秦和小王。由于观察者模式支持简单的广播通信，当消息更新时，会自动通知所有的观察者。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现观察者模式。

5.1.1 实现代码

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());   } } 

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(); 

5.1.3 应用场景及案例

一个对象的行为依赖于另一个对象的状态。或者换一种说法，当被观察对象(目标对象)的状态发生改变时 ，会直接影响到观察对象的行为。 RxJS Subject：https://github.com/ReactiveX/rxjs/blob/master/src/internal/Subject.ts RxJS Subject 文档：https://rxjs.dev/guide/subject

5.2 发布订阅模式

在软件架构中，发布/订阅是一种消息范式，消息的发送者(称为发布者)不会将消息直接发送给特定的接收者(称为订阅者)。而是将发布的消息分为不同的类别，然后分别发送给不同的订阅者。 同样的，订阅者可以表达对一个或多个类别的兴趣，只接收感兴趣的消息，无需了解哪些发布者存在。

在发布订阅模式中有三个主要角色：Publisher(发布者)、 Channels(通道)和 Subscriber(订阅者)。

在上图中，Publisher(发布者)是阿宝哥，Channels(通道)中 Topic A 和 Topic B 分别对应于 TS 专题和 Deno 专题，而 Subscriber(订阅者)就是小秦、小王和小池。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现发布订阅模式。

5.2.1 实现代码

type EventHandler = (...args: any[]) => any; class EventEmitter {    private c = new Map<string, EventHandler[]>();   // 订阅指定的主题   subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {      let topics = this.c.get(topic);     if (!topics) {        this.c.set(topic, topics = []);     }     topics.push(...handlers);   }   // 取消订阅指定的主题   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;   }   // 为指定的主题发布消息   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;       }     });   } } 

5.2.2 使用示例

const eventEmitter = new EventEmitter(); eventEmitter.subscribe("ts", (msg) => console.log(`收到订阅的消息：${ msg}`) ); eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式"); eventEmitter.unsubscribe("ts"); eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式"); 

5.2.3 应用场景

对象间存在一对多关系，一个对象的状态发生改变会影响其他对象。 作为事件总线，来实现不同组件间或模块间的通信。 BetterScroll - EventEmitter：https://github.com/ustbhuangyi/better-scroll/blob/dev/packages/shared-utils/src/events.ts EventEmitter 在插件化架构的应用：https://mp.weixin.qq.com/s/N4iw3bi0bxJ57J8EAp5ctQ

六、策略模式

策略模式(Strategy Pattern)定义了一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可以互相替换。策略模式的重心不是如何实现算法，而是如何组织、调用这些算法，从而让程序结构更灵活、可维护、可扩展。

目前在一些主流的 Web 站点中，都提供了多种不同的登录方式。比如账号密码登录、手机验证码登录和第三方登录。为了方便维护不同的登录方式，我们可以把不同的登录方式封装成不同的登录策略。

下面我们来看一下如何使用策略模式来封装不同的登录方式。

6.1 实现代码

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

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(尚未设置认证策略);       return;     }     return this.strategy.authenticate(...args);   } } class WechatStrategy implements Strategy {    authenticate(wechatToken: string) {      if (wechatToken !== 123) {        console.log(无效的微信用户);       return;     }     console.log(微信认证成功);   } } class LocalStrategy implements Strategy {    authenticate(username: string, password: string) {      if (username !== abao && password !== 123) {        console.log(账号或密码错误);       return;     }     console.log(账号和密码认证成功);   } } 

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); 

6.3 应用场景及案例

一个系统需要动态地在几种算法中选择一种时，可将每个算法封装到策略类中。 多个类只区别在表现行为不同，可以使用策略模式，在运行时动态选择具体要执行的行为。 一个类定义了多种行为，并且这些行为在这个类的操作中以多个条件语句的形式出现，可将每个条件分支移入它们各自的策略类中以代替这些条件语句。 Github - passport-local：https://github.com/jaredhanson/passport-local Github - passport-oauth2：https://github.com/jaredhanson/passport-oauth2 Github - zod：https://github.com/vriad/zod/blob/master/src/types/string.ts

七、职责链模式

职责链模式是使多个对象都有机会处理请求，从而避免请求的发送者和接受者之间的耦合关系。在职责链模式里，很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递，直到链上的某一个对象决定处理此请求。

在公司中不同的岗位拥有不同的职责与权限。以上述的请假流程为例，当阿宝哥请 1 天假时，只要组长审批就可以了，不需要流转到主管和总监。如果职责链上的某个环节无法处理当前的请求，若含有下个环节，则会把请求转交给下个环节来处理。

在日常的软件开发过程中，对于职责链来说，一种常见的应用场景是中间件，下面我们来看一下如何利用职责链来处理请求。

7.1 实现代码

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

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);     }   } } // 定义Auth中间件 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);     }   } } // 定义Logger中间件 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]);     }   } } 

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); }); 

7.3 应用场景

可处理一个请求的对象集合应被动态指定。

想在不明确指定接收者的情况下，向多个对象中的一个提交一个请求。

有多个对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求运行时自动确定，客户端只需要把请求提交到链上即可。

八、模板方法模式

模板方法模式由两部分结构组成：抽象父类和具体的实现子类。通常在抽象父类中封装了子类的算法框架，也包括实现一些公共方法以及封装子类中所有方法的执行顺序。子类通过继承这个抽象类，也继承了整个算法结构，并且可以选择重写父类的方法。

在上图中，阿宝哥通过使用不同的解析器来分别解析 CSV 和 Markup 文件。虽然解析的是不同的类型的文件，但文件的处理流程是一样的。这里主要包含读取文件、解析文件和打印数据三个步骤。针对这个场景，我们就可以引入模板方法来封装以上三个步骤的处理顺序。

下面我们来看一下如何使用模板方法来实现上述的解析流程。

8.1 实现代码

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

import fs from fs; abstract class DataParser {    data: string = ;   out: any = null;   // 这就是所谓的模板方法   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);   } } 

8.2 使用示例

const csvPath = ./data.csv; const mdPath = ./design-pattern.md; new CSVParser().parse(csvPath); new MarkupParser().parse(mdPath); 

8.3 应用场景

算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现。

当需要控制子类的扩展时，模板方法只在特定点调用钩子操作，这样就只允许在这些点进行扩展。

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