设计模式（二）

迪米特法则（最少知识原则）：定义、核心思想与实践解析

一、迪米特法则（LoD）的核心定义

迪米特法则（Law of Demeter, LoD），又称 “最少知识原则（Least Knowledge Principle）”，是面向对象设计的经典指导原则之一。其核心思想是：一个对象应当尽可能少地与其他对象发生相互作用，只与 “直接的朋友” 通信，避免与 “陌生人” 产生直接交互。

二、关键概念：“直接的朋友” 与 “陌生人”

• 直接的朋友：指与当前对象有直接关联的类，包括：

  1. 当前对象的成员变量（属性）所引用的对象；
  2. 方法的参数所引用的对象；
  3. 方法的返回值所引用的对象；
  4. 方法内部创建的对象（部分场景下需谨慎判断）。

• 陌生人：与当前对象无直接关联的类。例如，若类 A 通过类 B 的成员变量访问类 C，则类 C 是类 A 的 “陌生人”。

三、对用户提供语句的深度解析

用户提到的语句：“如果两个类不必彼此直接通信，那么这两个类就不应当发生直接的相互作用。如果其中一个类需要调用另一个类的某一个方法的话，可以通过第三者转发这个调用。” 这直接点明了迪米特法则的核心设计逻辑：

1. 避免不必要的直接交互

两个类若无需直接通信（即无业务逻辑上的直接关联），则不应建立直接依赖。直接交互会导致类之间的耦合度升高，当其中一个类的实现变化时，可能引发连锁反应（如修改类 C 会影响类 A）。

2. 通过 “第三者” 转发调用

若必须调用另一个类的方法，应通过一个中间类（第三者）间接转发。中间类作为 “桥梁”，将两个原本无关的类解耦，使它们仅依赖中间类，而非彼此。

四、违反迪米特法则的典型问题

以 “客户 - 员工 - 项目” 管理系统为例：

反例：直接与 “陌生人” 交互

// 客户类（直接与项目类交互，违反LoD）
class Client {
public:
    void checkProjectProgress(Employee* employee) {
        // 客户直接访问员工的项目对象（陌生人）
        Project* project = employee->getProject();
        project->showProgress();  // Client与Project无直接关联，属于陌生人
    }
};

// 员工类
class Employee {
private:
    Project* project;  // 员工的项目（直接朋友）
public:
    Project* getProject() { return project; }
};

// 项目类
class Project {
public:
    void showProgress() { std::cout << "项目进度：80%" << std::endl; }
};

问题：

• Client类直接调用Project类的方法，但Client与Project无直接关联（Project是Client的 “陌生人”）。
• 若Project类修改showProgress()方法（如重命名为displayProgress()），Client类需同步修改，耦合度高。

正例：通过 “第三者” 转发调用（符合 LoD）

// 客户类（仅与直接朋友Employee交互）
class Client {
public:
    void checkProjectProgress(Employee* employee) {
        employee->reportProjectProgress();  // 通过Employee转发调用（第三者）
    }
};

// 员工类（作为第三者，封装Project的访问）
class Employee {
private:
    Project* project;  // 直接朋友
public:
    // 员工负责转发项目进度查询（避免Client直接访问Project）
    void reportProjectProgress() {
        project->showProgress();  // 员工与Project是直接朋友
    }
};

// 项目类（无需暴露给Client）
class Project {
public:
    void showProgress() { std::cout << "项目进度：80%" << std::endl; }
};

五、迪米特法则的设计目标

1. 降低类间耦合：通过限制直接交互的范围，减少修改一个类对其他类的影响。
2. 提高模块独立性：每个类仅关注自身职责，符合 “单一职责原则”。
3. 增强可维护性：修改或扩展功能时，仅需调整少数相关类，而非全局改动。

六、迪米特法则的实践注意事项

1. 避免过度中介：引入过多中间类可能导致系统复杂度上升（如 “上帝类”），需权衡 “解耦” 与 “复杂度”。
2. 明确 “直接朋友” 边界：需根据业务逻辑判断哪些类是 “直接朋友”。例如，若Client的核心职责是查询项目进度，Employee作为项目的负责人，是合理的 “直接朋友”。
3. 接口隔离：通过抽象接口（如IProjectReporter）定义转发方法，避免中间类与具体实现强耦合。

七、总结

迪米特法则的本质是通过限制对象间的交互范围，降低系统耦合度。用户提到的语句精准概括了这一原则：

• 不直接与 “陌生人” 通信，避免不必要的依赖；
• 通过 “第三者” 转发调用，将交互限制在 “直接朋友” 范围内。

在实际开发中，遵循迪米特法则能显著提升代码的可维护性和扩展性，尤其在大型系统中（如微服务架构、模块化设计），是降低模块间耦合的关键指导原则。

依赖倒转原则（Dependency Inversion Principle, DIP）详解

一、核心概念

依赖倒转原则是面向对象设计的重要原则，由 Robert C. Martin（ Uncle Bob）提出，是 SOLID 原则的一部分。其核心思想是：

1. 高层模块不应该依赖低层模块，两者都应该依赖抽象。
2. 抽象不应该依赖细节，细节应该依赖抽象。

简而言之，依赖关系应通过抽象（接口 / 抽象类）建立，而非具体实现类。这使系统更灵活、可扩展，符合 “开闭原则”。

二、核心角色

1. 高层模块：负责业务逻辑的模块（如订单服务、用户管理）。
2. 低层模块：具体实现细节（如数据库操作、文件存储）。
3. 抽象接口：定义高层模块和低层模块共同遵循的契约。

三、违反 DIP 的典型问题

反例：高层模块直接依赖低层模块

// 低层模块：MySQL数据库实现
class MySQLDatabase {
public:
    void saveOrder(const std::string& orderData) {
        std::cout << "将订单数据 [" << orderData << "] 存入MySQL数据库" << std::endl;
    }
};

// 高层模块：订单服务（直接依赖具体数据库实现）
class OrderService {
private:
    MySQLDatabase database;  // 直接依赖具体类

public:
    void createOrder(const std::string& orderData) {
        // 业务逻辑...
        database.saveOrder(orderData);  // 直接调用具体实现
    }
};

问题：

• OrderService（高层）直接依赖MySQLDatabase（低层），若需切换数据库（如改用 Redis），必须修改OrderService代码，违反开闭原则。
• 无法在测试时使用模拟数据库，单元测试困难。

四、符合 DIP 的实现

正例：通过接口解耦高层与低层

// 抽象接口：定义数据库操作契约
class Database {
public:
    virtual void saveOrder(const std::string& orderData) = 0;
    virtual ~Database() = default;
};

// 低层模块：MySQL实现（依赖抽象）
class MySQLDatabase : public Database {
public:
    void saveOrder(const std::string& orderData) override {
        std::cout << "将订单数据 [" << orderData << "] 存入MySQL数据库" << std::endl;
    }
};

// 低层模块：Redis实现（依赖抽象）
class RedisDatabase : public Database {
public:
    void saveOrder(const std::string& orderData) override {
        std::cout << "将订单数据 [" << orderData << "] 缓存到Redis" << std::endl;
    }
};

// 高层模块：订单服务（依赖抽象）
class OrderService {
private:
    Database* database;  // 依赖抽象接口，而非具体类

public:
    // 通过构造函数注入依赖（依赖注入）
    explicit OrderService(Database* db) : database(db) {}

    void createOrder(const std::string& orderData) {
        // 业务逻辑...
        database->saveOrder(orderData);  // 通过接口调用，不关心具体实现
    }
};

// 客户端代码：控制反转（IoC）
int main() {
    // 选择具体实现并注入到高层模块
    Database* mysqlDb = new MySQLDatabase();
    OrderService service(mysqlDb);
    service.createOrder("订单#123");  // 输出：存入MySQL数据库

    // 动态切换实现（无需修改OrderService）
    delete mysqlDb;
    Database* redisDb = new RedisDatabase();
    OrderService service2(redisDb);
    service2.createOrder("订单#456");  // 输出：缓存到Redis

    delete redisDb;
    return 0;
}

五、关键设计模式

1. 依赖注入（Dependency Injection, DI）：

   • 通过构造函数、Setter 方法或接口注入依赖对象，而非在类内部创建。
   • 示例中的OrderService通过构造函数接收Database接口实现。

2. 控制反转（Inversion of Control, IoC）：

   • 将对象创建和依赖关系的控制权从类内部转移到外部（如客户端或容器）。
   • 示例中main()函数负责创建具体数据库实例并注入到OrderService。

六、依赖倒转的优势

七、实践注意事项

1. 抽象粒度：

   • 接口应专注于业务契约（如saveOrder()），而非实现细节。
   • 避免设计 “胖接口”（包含过多方法），遵循接口隔离原则。

2. 避免循环依赖：

   • 若 A 依赖 B 的抽象，B 依赖 A 的抽象，可能导致循环依赖。可通过中间抽象层或事件机制解耦。

3. 结合工厂模式：

   • 复杂场景下，可通过工厂类创建具体实现，进一步隔离高层模块与具体类的依赖。

八、总结

依赖倒转原则的核心是通过抽象隔离高层与低层模块，使系统更灵活、可维护。关键点：

1. 高层模块和低层模块均依赖抽象接口；
2. 通过依赖注入和控制反转实现对象间的解耦；
3. 抽象接口应反映业务需求，而非具体实现。

在大型系统（如微服务架构）中，DIP 是实现 “高内聚、低耦合” 的基石，广泛应用于框架设计（如 Spring）和模块化开发中。

外观模式（Facade Pattern）：概念、实现与应用场景

一、外观模式的核心概念

外观模式是一种结构型设计模式，其核心思想是为复杂的子系统提供一个统一的简单接口，隐藏子系统的复杂性，使客户端只需通过这个接口与子系统交互，而无需直接调用多个子系统的复杂方法。

二、核心角色

1. 外观类（Facade）：

   • 提供简化的接口，封装子系统的复杂操作。
   • 协调子系统的调用顺序和交互逻辑。

2. 子系统类（Subsystem Classes）：

   • 实现具体功能的类，如数据库操作、文件处理、网络请求等。
   • 不依赖外观类，可独立存在和使用。

3. 客户端（Client）：

   • 通过外观类间接调用子系统功能，无需了解内部细节。

三、代码示例

场景：计算机启动过程涉及 CPU、内存、硬盘等多个子系统的复杂初始化，通过外观模式简化启动流程。

步骤 1：定义子系统类

// 子系统：CPU
class CPU {
public:
    void startup() {
        std::cout << "CPU 启动..." << std::endl;
    }

    void shutdown() {
        std::cout << "CPU 关闭..." << std::endl;
    }
};

// 子系统：内存
class Memory {
public:
    void startup() {
        std::cout << "内存自检并加载..." << std::endl;
    }

    void shutdown() {
        std::cout << "内存清理并释放..." << std::endl;
    }
};

// 子系统：硬盘
class HardDrive {
public:
    void startup() {
        std::cout << "硬盘初始化..." << std::endl;
    }

    void shutdown() {
        std::cout << "硬盘停止读写..." << std::endl;
    }
};

步骤 2：创建外观类

// 外观类：封装计算机启动和关闭的复杂流程
class ComputerFacade {
private:
    CPU cpu;
    Memory memory;
    HardDrive hardDrive;

public:
    // 简化的启动接口
    void start() {
        std::cout << "=== 计算机启动流程 ===" << std::endl;
        cpu.startup();
        memory.startup();
        hardDrive.startup();
        std::cout << "=== 计算机启动完成 ===" << std::endl;
    }

    // 简化的关闭接口
    void shutdown() {
        std::cout << "=== 计算机关闭流程 ===" << std::endl;
        cpu.shutdown();
        memory.shutdown();
        hardDrive.shutdown();
        std::cout << "=== 计算机已关闭 ===" << std::endl;
    }
};

步骤 3：客户端代码

int main() {
    // 创建外观对象
    ComputerFacade computer;

    // 客户端只需调用简单接口，无需关心内部子系统的复杂交互
    std::cout << "用户按下电源键..." << std::endl;
    computer.start();  // 调用简化的启动接口

    std::cout << "\n用户按下关机键..." << std::endl;
    computer.shutdown();  // 调用简化的关闭接口

    return 0;
}

四、外观模式的优势

五、外观模式的适用场景

1. 复杂子系统的简化访问：

   • 当子系统包含多个模块且交互复杂时，如操作系统、框架内部组件。

2. 分层架构的边界定义：

   • 在系统分层设计中，每层通过外观类对外提供统一接口，隔离层与层之间的依赖。

3. 遗留系统的适配：

   • 为旧系统提供新的简化接口，便于新系统集成或维护。

六、注意事项

1. 避免过度抽象：

   • 外观类应只封装真正必要的功能，避免成为 “上帝类”（包含所有子系统的方法）。

2. 保留直接访问的可能性：

   • 外观类不禁止客户端直接调用子系统，若需要更细粒度的控制，客户端仍可绕过外观类。

3. 与中介者模式的区别：

   • 外观模式：单向简化，子系统间无直接交互，依赖外观类。
   • 中介者模式：双向协调，子系统间通过中介者间接交互，减少子系统间的直接依赖。

七、总结

外观模式的核心价值在于通过一个统一的接口封装复杂子系统，使客户端无需了解内部细节，降低系统的使用门槛和耦合度。它是 “封装变化” 和 “依赖倒转” 原则的典型应用，广泛用于框架设计（如 Java 的java.net.URL类封装网络请求）、游戏引擎（如 Unity 的 API 封装底层渲染逻辑）和企业系统（如 ERP 系统的业务门面层）。

建造者模式（Builder Pattern）：概念、实现与应用场景

一、建造者模式的核心概念

建造者模式是一种创建型设计模式，其核心思想是将一个复杂对象的构建与表示分离，使同样的构建过程可以创建不同的表示。它允许用户通过指定复杂对象的类型和内容，一步一步创建出一个完整的对象，而无需关心对象内部的具体构造细节。

二、核心角色

1. 产品类（Product）：

   • 要创建的复杂对象，包含多个组成部分（如属性、子对象）。

2. 抽象建造者（Builder）：

   • 定义创建产品各个部分的抽象方法（如buildPartA()、buildPartB()）。
   • 通常包含返回最终产品的方法（如getProduct()）。

3. 具体建造者（Concrete Builder）：

   • 实现抽象建造者的方法，完成产品各部分的具体构造。
   • 负责组装产品的各个部分。

4. 指挥者（Director）：

   • 负责安排复杂对象的建造顺序。
   • 通过调用建造者的方法来构建产品，不直接与产品类交互。

三、代码示例

场景：构建电脑（Computer），包含 CPU、内存、硬盘等组件，通过建造者模式实现不同配置的电脑组装。

步骤 1：定义产品类

// 产品类：电脑
class Computer {
private:
    std::string cpu;     // CPU型号
    std::string memory;  // 内存容量
    std::string hardDisk;// 硬盘容量
    std::string graphics;// 显卡型号（可选）

public:
    void setCPU(const std::string& cpu) {
        this->cpu = cpu;
    }

    void setMemory(const std::string& memory) {
        this->memory = memory;
    }

    void setHardDisk(const std::string& hardDisk) {
        this->hardDisk = hardDisk;
    }

    void setGraphics(const std::string& graphics) {
        this->graphics = graphics;
    }

    void showInfo() const {
        std::cout << "电脑配置：" << std::endl
                  << "CPU: " << cpu << std::endl
                  << "内存: " << memory << std::endl
                  << "硬盘: " << hardDisk << std::endl;
        if (!graphics.empty()) {
            std::cout << "显卡: " << graphics << std::endl;
        }
    }
};

步骤 2：定义抽象建造者

// 抽象建造者：定义构建电脑各部分的接口
class ComputerBuilder {
protected:
    Computer computer;

public:
    virtual void buildCPU() = 0;
    virtual void buildMemory() = 0;
    virtual void buildHardDisk() = 0;
    virtual void buildGraphics() = 0;  // 可选组件

    // 返回构建好的电脑
    Computer getComputer() {
        return computer;
    }

    virtual ~ComputerBuilder() = default;
};

步骤 3：实现具体建造者

// 具体建造者：标准办公电脑
class OfficeComputerBuilder : public ComputerBuilder {
public:
    void buildCPU() override {
        computer.setCPU("Intel i5-12400");
    }

    void buildMemory() override {
        computer.setMemory("16GB DDR4");
    }

    void buildHardDisk() override {
        computer.setHardDisk("512GB SSD");
    }

    void buildGraphics() override {
        // 办公电脑不配置独立显卡
        computer.setGraphics("集成显卡");
    }
};

// 具体建造者：游戏电脑
class GamingComputerBuilder : public ComputerBuilder {
public:
    void buildCPU() override {
        computer.setCPU("AMD Ryzen 7 5800X");
    }

    void buildMemory() override {
        computer.setMemory("32GB DDR5");
    }

    void buildHardDisk() override {
        computer.setHardDisk("1TB NVMe SSD");
    }

    void buildGraphics() override {
        computer.setGraphics("NVIDIA RTX 4070");
    }
};

步骤 4：定义指挥者

// 指挥者：控制建造过程的顺序
class ComputerDirector {
private:
    ComputerBuilder* builder;

public:
    explicit ComputerDirector(ComputerBuilder* builder) : builder(builder) {}

    // 构建电脑的流程
    void constructComputer() {
        builder->buildCPU();
        builder->buildMemory();
        builder->buildHardDisk();
        builder->buildGraphics();
    }
};

步骤 5：客户端代码

int main() {
    // 构建办公电脑
    OfficeComputerBuilder officeBuilder;
    ComputerDirector officeDirector(&officeBuilder);
    officeDirector.constructComputer();
    Computer officeComputer = officeBuilder.getComputer();

    std::cout << "办公电脑配置：" << std::endl;
    officeComputer.showInfo();

    // 构建游戏电脑
    GamingComputerBuilder gamingBuilder;
    ComputerDirector gamingDirector(&gamingBuilder);
    gamingDirector.constructComputer();
    Computer gamingComputer = gamingBuilder.getComputer();

    std::cout << "\n游戏电脑配置：" << std::endl;
    gamingComputer.showInfo();

    return 0;
}

四、建造者模式的优势

五、建造者模式的适用场景

1. 复杂对象的构建：

   • 当对象包含多个部分且构建过程复杂时，如汽车、房屋、文档等。

2. 需要多种配置：

   • 同一产品需要多种不同的配置组合，如游戏角色定制、电脑组装。

3. 构建步骤稳定但具体实现可变：

   • 产品的构建步骤固定，但每个步骤的具体实现可能不同。

六、与工厂模式的对比

七、简化版建造者模式（省略指挥者）

在某些场景下，可省略指挥者角色，直接通过建造者链式调用构建方法。例如：

// 简化版建造者（省略指挥者）
class ComputerBuilder {
private:
    Computer computer;

public:
    ComputerBuilder& setCPU(const std::string& cpu) {
        computer.setCPU(cpu);
        return *this;
    }

    ComputerBuilder& setMemory(const std::string& memory) {
        computer.setMemory(memory);
        return *this;
    }

    // 其他setter方法...

    Computer build() {
        return computer;
    }
};

// 客户端使用
Computer customComputer = ComputerBuilder()
    .setCPU("AMD Ryzen 9")
    .setMemory("64GB")
    .build();

八、总结

建造者模式的核心价值在于将复杂对象的构建过程与表示分离，通过分步构建和多态实现，使同一构建流程可创建不同配置的产品。它在以下场景特别有用：

• 需要创建复杂对象且构建过程包含多个步骤；
• 需要支持同一产品的多种配置变体；
• 希望客户端代码与产品内部结构解耦。

该模式广泛应用于框架设计（如 Java 的StringBuilder、Android 的AlertDialog.Builder）、游戏开发（角色创建系统）和企业系统（报表生成器）。