Software architecture design patterns and practices:
作者：禅与计算机程序设计艺术
1.简介
随着软件规模的不断扩大和复杂性的增加，软件系统的设计、开发和维护都面临着越来越多的挑战。软件架构设计模式（SAP）则提供了一种在复杂系统中应用解耦、可维护、可扩展等原则的有效方法。本文总结了SAP的一些最具代表性的设计模式，并阐述其设计思想、特点、适用场景及最佳实践。还会重点阐述设计模式背后的理论基础，帮助读者更好地理解和应用这些模式。
2.背景介绍
软件架构设计模式一般分为四类：创建型模式、结构型模式、行为型模式、交互型模式。每种模式都有自己的侧重点，解决软件系统中常见的设计问题，例如：
- 创建型模式：创建型模式关注的是如何建立对象以及对象之间的关系。主要包括单例模式、建造模式、抽象工厂模式、原型模式等。
- 结构型模式：结构型模式描述如何将类或对象组成更大的结构，以便于实现系统功能。主要包括代理模式、桥接模式、装饰器模式、外观模式、组合模式等。
- 行为型模式：行为型模式定义了类或对象之间合作的方式，即对象怎样发送消息，接收和处理它们。主要包括命令模式、策略模式、模板模式、状态模式、观察者模式等。
- 交互型模式：交互型模式用于设计面向用户的界面。主要包括前端控制器模式、mvc模式、迭代子模式、访问者模式、备忘录模式等。
软件架构设计模式是软件工程领域的一个重要研究热点。近年来，许多著名软件公司都纷纷推出了基于这种模式的软件系统。如微软、Facebook、Google、亚马逊等都曾采用过软件架构设计模式来构建其软件系统。如今，这种模式已经成为软件工程中必不可少的一部分。因此，掌握软件架构设计模式是一项重要技能。
3.基本概念术语说明
- 层次化架构
层次化架构（Hierarchical Architecture），也叫分层架构、分级架构、分级体系，是软件架构设计中的一种架构风格，它通过分层的方式来组织软件系统的各个组件，从而达到划分职责、降低耦合度、提高模块化程度、提升可维护性的目的。层次化架构是指系统分为不同层次，不同层次内部采用分块方式来组织模块，使得系统具有良好的内聚性和局部性，降低耦合度，提升模块化程度。另外，不同的层次也可以共享同一个模块或者不同层次之间可以通信。层次化架构既可以用于整个系统的整体设计，也可以用于某些模块的设计。
下图是一个典型的层次化架构示意图。
该架构图展示了一个电商网站的层次化架构。它包括用户界面（UI）层、业务逻辑层、数据存储层、服务层、基础设施层五个层次。UI层负责处理用户请求，向用户呈现信息；业务逻辑层负责处理核心事务，包括商品管理、订单处理、支付模块等；数据存储层负责存储用户数据，比如注册信息、购物记录等；服务层负责处理与第三方系统的接口，包括物流配送、支付等；基础设施层负责提供运行环境支持，比如网络连接、服务器资源、缓存机制等。
- 抽象工厂模式
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是围绕一个超类接口而构造的，该接口提供了多个创建产品的方法，但每个产品都是由对应的具体工厂创建出来的，而且同一个抽象工厂可以生产多个不同类的产品。抽象工actory模式的目的就是为了能让客户端代码（调用者）无需知道所使用的具体类，只需要依赖与抽象工厂即可。抽象工厂模式属于creational模式，它创建了一个工厂的接口，当客户希望创建一些相关产品时，就可以通过这个接口来获取这些产品。客户无需知道具体类的名称，只需要知道具体的工厂名即可。
在抽象工厂模式中，抽象工厂接口通常有一个方法用来返回一个Product对象，其中包含很多属性和方法。而Product对象则由抽象工厂的具体实现类来决定如何实现它的createProduct()方法。创建的具体对象是由具体的工厂类实现的，而客户端代码只要依赖于抽象工厂接口就行。
下图是一个抽象工厂模式的类图。
上图展示了抽象工厂模式的类图，其中，AbstractFactory（抽象工厂）接口为多个Product对象的工厂父类，它声明了一系列用来创建Product对象的工厂方法。ConcreteFactory（具体工厂）实现了抽象工厂接口，并且为Product对象实现了创建方法。Product（产品）类为真正被创建的对象，它是抽象的，不能直接实例化。Client（客户端）通过AbstractFactory（抽象工厂）接口来创建一个Product对象，而不是具体的工厂类。
- 代理模式
代理模式（Proxy Pattern）为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。代理是一种面向对象的设计模式，它可以给某一个对象提供一个替代品或占位符，以隐藏原有的对象，并在将来某个时间提供对象服务。代理模式结构较简单，不再赘述。
下图是一个代理模式的类图。
上图展示了代理模式的类图，其中，Subject（主题）接口表示将要被代理的对象，通常是一个接口或抽象类，Proxy（代理）类则作为主题对象的替代品出现。RealSubject（真实主题）是被代理的对象，Client（客户端）通过代理来间接访问真实主题的行为。代理类与真实主题之间存在一个中介作用，所有请求都将先经过代理类。代理类可以在转发请求之前做一些额外的工作，例如检查权限、过滤请求、把请求记录下来等。
- MVC模式
MVC模式（Model–View–Controller，模型-视图-控制器模式）是软件设计模式，它将一个大型软件系统分为三个主要部分，分别是模型（Model）、视图（View）和控制器（Controller）。模型部分包含应用程序的业务逻辑、数据、规则，这些都存放在后端。视图部分负责显示模型的数据，向用户提供交互界面。控制器部分负责处理浏览器请求，读取模型的数据并生成响应。
下图是一个MVC模式的类图。
上图展示了MVC模式的类图，其中，Model（模型）类代表应用程序的数据，负责处理数据的获取、保存和验证，并在后台为视图提供数据。View（视图）类代表模型数据在前台的显示，它负责接受用户输入、更新模型数据、并将数据渲染到屏幕上。Controller（控制器）类协调模型和视图，它负责读取模型的数据、解析请求、调用相应的业务逻辑处理、把结果传递给视图进行渲染。
- 策略模式
策略模式（Strategy Pattern）定义了算法族，分别封装起来，让它们之间可以相互替换，此模式让算法的变化，不会影响到使用算法的客户源代码。策略模式属于behavioral模式，它使得算法可以相互替换，从而让算法的变化，不会影响到使用算法的客户源代码。
下图是一个策略模式的类图。
上图展示了策略模式的类图，其中，Context（上下文）类是客户端代码的入口，它维护一个Strategy（策略）对象，它告诉Context应该使用哪个策略来执行任务。Strategy（策略）接口为不同的算法提供统一的API，Context通过调用策略接口的操作，来实现算法的选择和交互。RealStrategy1（具体策略1）和RealStrategy2（具体策略2）实现了Strategy（策略）接口。Client（客户端）通过调用Context类的operation()方法，来触发策略的执行。如果需要切换策略，可以修改Context类的setStrategy()方法，或通过配置文件来动态设置。
4.核心算法原理和具体操作步骤以及数学公式讲解
- 创建型模式 * Singleton模式
Singleton（单例）模式是一种创建型模式，保证一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点供外部获取该实例。比如，Windows操作系统中只能打开一个主窗口，其他应用程序只能从主窗口创建新窗口。所以，通过单例模式可以保证一个类只有一个实例，这样可以节省内存，加速系统的运行，并提供一个统一的访问点。
例如，在游戏编程中，一个类只能有一个实例，因此可以使用单例模式进行资源共享；在数据库访问中，可以使用单例模式避免频繁创建数据库连接，减少开销。
实现Singleton模式的关键是构造函数必须是私有的，确保无法从外部构造一个新的对象，并提供一个全局访问点，返回唯一的实例。以下是Singleton模式的C++实现：
class Singleton {
private:
static Singleton *instance; // 指向唯一实例的指针
Singleton(); // 构造函数
~Singleton(); // 析构函数
public:
static Singleton* getInstance(); // 获取唯一实例的静态方法
};
Singleton* Singleton::instance = NULL; // 初始化唯一实例的静态变量
Singleton::Singleton() {}
Singleton::~Singleton() {}
Singleton* Singleton::getInstance() {
if (NULL == instance) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
代码解读通过以上代码，可以看到，Singleton类是一个带有构造函数和析构函数的静态类，且只有一个私有静态成员变量instance指向唯一实例。使用static关键字修饰getInstance()方法，可以使得该方法成为一个静态方法，不需要创建任何实例对象即可获得唯一实例。
使用Singleton模式的优点：
1. 保证一个类仅有一个实例，减少内存消耗，避免频繁分配内存。
2. 提供一个全局访问点，可以方便地控制实例的创建与访问。
3. 有利于对单例对象进行原子操作。
* Builder模式Builder（建造者）模式是一种创建型模式，它可以将一个复杂对象的构建与它的表现分离，即通过一步步地构造来创建对象。建造者模式可以很好的应对对象创建过程中的“可变性”，能够通过一步步地构造来生成不同的对象。
例如，当创建一辆汽车的时候，有很多选项（颜色、车身、轮胎、发动机、油箱），如果选择不同的值，则车型可能有所差别，这种差异可以通过建造者模式来解决。
实现Builder模式的关键是将产品的创建过程和它的表现分离，并允许按步骤来创建，逐步构造最终的对象。以下是Builder模式的C++实现：
#include <iostream>
using namespace std;
class Product {
public:
virtual void show() const { cout << "product" << endl; }
};
class ConcreteProduct : public Product {
public:
void show() const override { cout << "concrete product" << endl; }
};
class Builder {
protected:
Product *product;
public:
Builder(Product *p) : product(p) {}
virtual void buildPartA() {}
virtual void buildPartB() {}
virtual void buildPartC() {}
Product* getResult() { return this->product; }
};
class ConcreteBuilder : public Builder {
public:
explicit ConcreteBuilder(Product *p) : Builder(p) {}
void buildPartA() override { cout << "building part A..." << endl; }
void buildPartB() override { cout << "building part B..." << endl; }
void buildPartC() override { cout << "building part C..." << endl; }
};
int main() {
Product *product = new ConcreteProduct;
ConcreteBuilder builder(product);
builder.buildPartA();
builder.buildPartB();
builder.buildPartC();
product->show();
delete product;
return 0;
}
代码解读此处，Product是一个抽象产品类，它定义了一个show()方法来输出产品信息。ConcreteProduct是Product的具体实现类。Builder是一个抽象建造者类，它定义了一个getResult()方法来返回产品，并且声明了三个虚方法buildPartA()、buildPartB()、buildPartC()来一步步地构造产品。ConcreteBuilder是Builder的具体实现类，它继承自Builder类并重载了三个虚方法，每个虚方法用于构造不同类型的零件。main函数中，首先创建产品对象和建造者对象，然后调用建造者对象的buildPartA()、buildPartB()、buildPartC()方法，最后调用getResult()方法获得产品对象并调用其show()方法输出产品信息。
使用Builder模式的优点：
1. 可以通过建造者模式一步步构造一个复杂对象，不同的具体建造者可以创造出不同风格的产品。
2. 隔离了创建产品的过程和它的表现，让两者容易扩展和复用。
3. 可使代码易读、易懂。
* Prototype模式Prototype（原型）模式是一种创建型模式，它利用已有的实例作为原型，快速创建新的对象。
例如，当创建多个相同对象的时候，可以使用原型模式来优化性能。
实现Prototype模式的关键是先创建原型对象，然后通过复制这个原型对象来创建新的对象。以下是Prototype模式的C++实现：
#include <iostream>
using namespace std;
class Shape {
public:
virtual void draw() = 0;
virtual ~Shape() {}
};
class Circle : public Shape {
private:
string color;
int x, y, r;
public:
Circle(const string& c, int _x, int _y, int _r) : color(c), x(_x), y(_y), r(_r) {}
void setColor(string c) { color = c; }
void moveTo(int _x, int _y) { x = _x; y = _y; }
void resize(int _r) { r = _r; }
void draw() override {
cout << "Circle: Draw with color=" << color << ", position=("
<< x << "," << y << "), radius=" << r << endl;
}
};
class Rectangle : public Shape {
private:
string color;
int x, y, width, height;
public:
Rectangle(const string& c, int _x, int _y, int w, int h) : color(c), x(_x), y(_y), width(w), height(h) {}
void setColor(string c) { color = c; }
void moveTo(int _x, int _y) { x = _x; y = _y; }
void resize(int w, int h) { width = w; height = h; }
void draw() override {
cout << "Rectangle: Draw with color=" << color << ", position=("
<< x << "," << y << "), size=(" << width << "," << height << ")" << endl;
}
};
class Cloneable {
public:
virtual Shape* clone() const = 0;
virtual ~Cloneable() {}
};
template<typename T>
class PrototypeManager {
private:
map<string, T*> pool; // 原型池
public:
PrototypeManager() {
pool["circle"] = nullptr;
pool["rectangle"] = nullptr;
}
bool registerType(const string& typeName, T* proto) {
auto it = pool.find(typeName);
if (it!= pool.end()) {
cerr << "Error: Type already exists!" << endl;
return false;
} else {
pool[typeName] = proto;
return true;
}
}
T* createInstance(const string& typeName) const {
auto it = pool.find(typeName);
if (it == pool.end()) {
cerr << "Error: Type not found!" << endl;
return nullptr;
} else {
return dynamic_cast<T*>(it->second->clone()); // 用dynamic_cast将子类转换为基类
}
}
};
int main() {
// 注册原型
Circle circle("red", 10, 10, 5);
rectangle rect("blue", 20, 20, 10, 10);
PrototypeManager<Cloneable> manager;
manager.registerType("circle", &circle);
manager.registerType("rectangle", &rect);
// 根据类型创建实例
Shape* shape1 = manager.createInstance("circle");
shape1->draw();
Shape* shape2 = manager.createInstance("rectangle");
shape2->draw();
// 深拷贝
Circle clonedCircle(*shape1);
clonedCircle.setColor("green");
clonedCircle.moveTo(20, 20);
clonedCircle.resize(7);
clonedCircle.draw();
return 0;
}
代码解读此处，Shape是一个抽象形状类，它定义了一个draw()方法来绘制形状。Circle和Rectangle是Shape的两个具体实现类。Cloneable是一个标记类，它用于标识是否可以克隆。PrototypeManager是一个原型管理类，它维护一个原型池，每个类型都对应一个原型。main函数中，首先注册两种类型的原型，然后根据类型创建实例，并调用draw()方法输出实例信息。由于圆和矩形共享相同的抽象基类Shape，因此可以通过Cloneable和dynamic_cast进行类型转换。另，通过对圆的clone()方法的调用，克隆出一个新的圆，并修改其属性值，输出得到的克隆实例信息。
使用Prototype模式的优点：
1. 可以快速地生成重复对象，节约创建时间。
2. 可以在运行时动态地创建对象，满足用户的需要。
3. 支持类型隔离，使得代码结构清晰。