设计模式是软件工程中对常见问题的解决方案的总结，它提供了一种经过验证的、可复用的解决方案，能够帮助开发者提高代码质量、可维护性和可扩展性。在实际工作中，有 8 种设计模式被广泛使用，它们分别是单例模式、工厂模式、观察者模式、策略模式、适配器模式、装饰器模式、代理模式和命令模式。本文将详细介绍这 8 种设计模式的概念、结构、优缺点以及应用场景。

单例模式（Singleton）

概念

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它通常用于管理共享资源，如配置信息、连接池等。

结构

• Singleton 类：包含一个私有的静态实例和一个公有的静态方法来获取这个实例。

优缺点

• 优点：保证全局只有一个实例，节省内存；提供全局访问点，方便管理。
• 缺点：如果实例化过程复杂，可能会导致性能问题；难以并行化。

应用场景

• 配置管理器
• 连接池管理
• 日志记录器

工厂模式（Factory）

概念

工厂模式是一种创建对象的模式，它将对象的创建过程封装起来，使代码更加灵活和可维护。工厂模式分为简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。

结构

• 简单工厂模式：一个工厂类根据输入参数返回不同的产品实例。
• 工厂方法模式：定义一个创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。
• 抽象工厂模式：定义一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而不必指定它们具体的类。

优缺点

• 优点：将对象的创建和使用分离，提高代码的可维护性和可扩展性；可以灵活地添加新的产品类。
• 缺点：增加了系统的复杂度；如果产品类层次结构复杂，实现起来比较困难。

应用场景

• 对象创建过程复杂
• 需要灵活地添加新的产品类
• 需要创建一系列相关或相互依赖的对象

观察者模式（Observer）

概念

观察者模式定义了对象之间的一对多依赖关系，当一个对象状态发生改变时，所有依赖于它的对象都会得到通知并自动更新。它通常用于实现事件监听和发布/订阅机制。

结构

• Subject（主题）：维护一个观察者列表，提供添加和删除观察者的方法，以及通知所有观察者的方法。
• Observer（观察者）：定义一个更新接口，以便在主题状态改变时得到通知。

优缺点

• 优点：实现了主题和观察者之间的解耦，提高了代码的可维护性和可扩展性；可以动态地添加和删除观察者。
• 缺点：如果观察者数量过多，可能会导致性能问题；观察者之间的依赖关系可能会变得复杂。

应用场景

• 事件监听机制
• 发布/订阅系统
• GUI组件之间的交互

策略模式（Strategy）

概念

策略模式定义了一系列的算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互换。策略模式让算法的变化独立于使用算法的客户。它通常用于实现算法的可配置性和可替换性。

结构

• Context（上下文）：持有一个策略接口的引用，并调用策略对象的方法。
• Strategy 接口：定义算法的接口。
• ConcreteStrategy（具体策略）：实现策略接口的具体算法类。

优缺点

• 优点：算法和客户端分离，提高了代码的可维护性和可扩展性；可以灵活地切换算法。
• 缺点：策略类的数量可能会增加，导致类的膨胀。

应用场景

• 需要根据不同的条件选择不同的算法
• 算法需要经常变化或扩展
• 需要将算法的实现细节隐藏起来

适配器模式（Adapter）

概念

适配器模式将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，使原本因接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。它通常用于实现不同接口之间的兼容性。

结构

• Target（目标接口）：客户期望的接口。
• Adaptee（适配者）：需要被适配的类。
• Adapter（适配器）：实现目标接口，并持有适配者的实例，将适配者的接口转换为目标接口。

优缺点

• 优点：提高了代码的可复用性和可维护性；可以将现有的类与新的接口兼容。
• 缺点：可能会增加系统的复杂度；如果适配者和目标接口之间差异较大，适配器的实现可能会变得复杂。

应用场景

• 需要将现有的类与新的接口兼容
• 需要将多个类的接口统一
• 需要实现不同接口之间的转换

装饰器模式（Decorator）

概念

装饰器模式允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式被称为结构型模式，它是作为现有类的一个包装。装饰器模式通过创建一个包装对象来包裹真实的对象，从而在运行时动态地添加功能。

结构

• Component（组件）：定义对象的接口。
• ConcreteComponent（具体组件）：实现了组件接口的具体类。
• Decorator（装饰器）：持有组件的引用，并实现了组件接口，可以在运行时动态地添加功能。
• ConcreteDecorator（具体装饰器）：实现了装饰器接口的具体类，添加了新的功能。

优缺点

• 优点：可以动态地添加功能，提高了代码的可扩展性和灵活性；避免了类的膨胀。
• 缺点：可能会导致类的层次结构变得复杂；如果装饰器过多，可能会导致性能问题。

应用场景

• 需要在运行时动态地添加功能
• 需要避免类的膨胀
• 需要实现多个功能的组合

代理模式（Proxy）

概念

代理模式为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。它通常用于实现对象的延迟初始化、访问控制、日志记录等功能。

结构

• Subject（主题接口）：定义了真实对象和代理对象共同的接口。
• RealSubject（真实对象）：实现了主题接口的具体类。
• Proxy（代理对象）：持有真实对象的引用，并实现了主题接口，可以在访问真实对象之前或之后执行额外的操作。

优缺点

• 优点：可以控制对真实对象的访问，提高了代码的安全性和灵活性；可以实现对象的延迟初始化。
• 缺点：可能会导致系统的复杂度增加；如果代理对象过多，可能会导致性能问题。

应用场景

• 需要实现对象的延迟初始化
• 需要控制对对象的访问
• 需要实现日志记录等功能

命令模式（Command）

概念

命令模式将一个请求封装为一个对象，从而使用户可用不同的请求对客户进行参数化；对请求排队或记录请求日志，以及支持可撤销的操作。它通常用于实现命令的封装和执行。

结构

• Command（命令接口）：定义命令的接口，声明执行操作的方法。
• ConcreteCommand（具体命令）：实现了命令接口的具体类，持有接收者的引用，并执行接收者的相应方法。
• Invoker（调用者）：持有命令对象，并在某个时间点调用命令对象的执行方法。
• Receiver（接收者）：执行命令的具体对象，知道如何执行命令。

优缺点

• 优点：实现了命令的封装和执行的分离，提高了代码的可维护性和可扩展性；可以实现命令的队列和撤销功能。
• 缺点：可能会导致类的数量增加，使系统变得复杂。

应用场景

• 需要实现命令的封装和执行
• 需要实现命令的队列和撤销功能
• 需要对命令进行参数化

总结

设计模式是软件开发中的一种重要工具，它能够帮助开发者解决常见的问题，提高代码的质量和可维护性。在实际工作中，根据具体的业务需求和场景选择合适的设计模式是非常重要的。掌握这些常用的设计模式，将有助于开发者更好地理解和设计软件系统，提高开发效率和代码质量。