作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
为什么要写这个系列文章？为什么需要深入探讨架构模式和设计原则呢？首先，作为一名资深技术专家或CTO，需要对自己的技术能力、经验以及业务知识进行全面系统的梳理和整合，建立自己的架构蓝图。所谓架构蓝图，就是指把公司各个部门、子系统以及不同层次之间相互交流、沟通、协调的结果。这种蓝图对于系统开发和维护都有非常重要的指导作用，它能够帮助我们准确地理解系统的整体结构、功能模块划分、组件之间的关系等，也能够指导我们设计出符合业务需求的高效、可靠、安全的系统架构。另外，每个人的工作职责、角色都会有一些不一样的需求，比如有的同事更关注技术实现的效率，有的同事更重视系统的可用性，有的同事更注重系统的性能优化等，所以我们需要从多个角度去看待和处理这些问题。因此，了解架构模式和设计原则，能够帮助我们将我们的知识和技能转化成更具竞争力的个人能力，更有效地进行工作和创新。 另一个原因是架构是构建大型复杂系统的一项关键环节。如何合理地设计系统架构，才能帮助系统的开发团队更好地协作，提升产品和服务的质量和效果？如何应对系统的各种变化，让系统始终处于健康、稳定、可靠的运行状态？良好的系统架构往往决定了系统的生命周期和规模，也是系统演进的关键驱动力。因此，对于架构师来说，架构模式和设计原则是必备技能之一。掌握它们，能够为我们设计出更加健壮、可扩展、安全、高效的系统架构。通过阅读本系列文章，可以了解到什么是架构模式和设计原则，并通过实际例子和实例更好地理解它们。最后，文章的封面配图采用画风统一，展现了前端、后端、数据库、消息队列、缓存、搜索引擎等不同领域的设计模式和原则，可以帮助读者快速理解文章中所涉及到的相关概念。希望通过本系列文章能够给架构师带来更多的启发。
2.核心概念与联系
在正式开始之前，先介绍一下本系列文章中的一些重要概念和术语，包括：
①架构模式（Architecture pattern）：它是描述软件设计过程的总结，它不是某个特定的设计方法，而是一类具有共同特性和目的的、具有一定程度上的可重用性的解决方案的集合。例如，单例模式、适配器模式、桥接模式、组合模式、代理模式、发布-订阅模式、命令模式、模板方法模式、观察者模式等都是架构模式。
②设计原则（Design principle）：它是对软件设计进行约束的规范，它是一些可以应用于软件设计过程中的基本原则。例如，KISS原则、YAGNI原则、DRY原则、依赖倒置原则、开闭原则等都是设计原则。
③组件化（Componentization）：它是一种系统设计技术，允许一个大的软件系统由小的、单独的部件组成，每一个部件只负责自己相应的任务。组件间通过接口进行通信，这样就可以更灵活地、方便地组装系统，同时还可以避免重复造轮子的问题。
④微服务（Microservices）：它是基于服务的架构风格，它将单个应用程序划分成独立的、自治的、松耦合的服务，每个服务运行在其独立的进程中，互相之间通过轻量级的 API 进行通信。
⑤SOA（Service-Oriented Architecture）：它是一种企业级应用架构风格，SOA 通过服务的抽象和定位方式，将应用功能细化为多个服务，每个服务运行在自己的进程中，通过消息机制进行交流。
⑥RESTful（Representational State Transfer）：它是目前最流行的 Web 服务架构样式，它定义了一组接口，供客户端和服务器进行交互。
除了以上几个主要的概念和术语外，还有其他一些比较重要的概念，如：
①DDD（Domain Driven Design）：它是一个面向对象编程的设计方法论，它强调通过业务领域建模的方式来创建软件系统，以实现业务目标。
②CQRS（Command Query Responsibility Segregation）：它是一种数据传输模式，用于分离读取和写入操作，它提供了一种简单、有效的方法来更新复杂的查询。
③事件溯源（Event Sourcing）：它是一种用于实时跟踪系统状态的架构模式，它记录了所有系统执行过的所有操作，并存储在一个日志中，可以通过该日志追踪系统的历史变迁。
④消息队列（Message Queue）：它是一种应用中间件，用于缓冲、排队和异步传递消息。
⑤分布式计算（Distributed Computing）：它是一种利用多台计算机资源的并行计算技术，它可用于海量数据的快速处理和分析。
为了便于大家理解，我将这几种主要概念和术语的关系整理如下：
3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
在准备写这篇文章之前，已经完成了学习知识点的阶段，虽然对相关知识点不完全了解，但是也取得了相当的进步。我想先通过一步步详细介绍架构模式和设计原则的基础知识，让大家对其有个基本的了解，之后再深入探讨这些模式的内涵和联系，以及如何运用这些模式去架构和设计系统。
3.1 架构模式详解
架构模式是用来描述软件设计过程中，一些具有共同特征和目的的、具有一定程度上的可重用性的解决方案的集合。这一类的解决方案一般都有一些共同的特征，并且提供了一个框架或方法，帮助设计人员更容易地构建软件。这里我列举了几种常用的架构模式，仅供参考。
3.1.1 创建型模式
3.1.1.1 单例模式（Singleton Pattern）
“单例模式”是指只有一个实例且可以全局访问的类。它是一种常用的软件设计模式，用来控制某个类只能创建一个对象，提供一个访问它的全局节点。它的目的是保证一个类仅有一个实例而且自行管理这个实例，使类的实例成为一个只需要生成一次的全局常量。单例模式涉及到三个角色：
单例类(Singleton Class): 此类负责创建自己的唯一实例。
访问类(Access Class): 此类是其他类请求创建唯一实例的入口。
唯一实例(Unique Instance): 此是单例类创建的一个实例。
我们来看一个 Java 中单例模式的例子：
public class Singleton {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
public static synchronized Singleton getInstance() {
return INSTANCE;
}
// other methods here...
}在上面的例子中，Singleton 类是一个单例类，它拥有唯一的实例 INSTANCE。getInstance() 方法是一个静态的公共方法，返回 INSTANCE，确保了整个系统中只有一个 Singleton 对象存在。此外，我们还可以使用双重检查锁定来实现线程安全的单例模式：
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton() {}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}双重检查锁定是一种延迟初始化的同步策略，它首先检查实例是否为空，如果为空才进行同步。
3.1.1.2 工厂模式（Factory Pattern）
“工厂模式”是一种创建对象的模式，它可以隐藏对象的创建逻辑，并暴露一个创建对象的接口，用来创建对象。工厂模式涉及到四个角色：
抽象工厂类(Abstract Factory Class): 此类声明了工厂方法，用于产生一系列相关的对象。
具体工厂类(Concrete Factory Class): 此类实现了抽象工厂类的工厂方法，并负责实现对象创建。
抽象产品类(Abstract Product Class): 此类为所有的具体产品声明接口，这样其他的对象才能知道他们所需对象的类型。
具体产品类(Concrete Product Class): 此类实现了抽象产品类的接口，它代表具体的产品对象。
我们来看一个 Java 中工厂模式的例子：
// Abstract factory interface
interface ShapeFactory {
Shape createShape();
}
// Concrete factories
class CircleFactory implements ShapeFactory {
@Override
public Shape createShape() {
return new Circle();
}
}
class SquareFactory implements ShapeFactory {
@Override
public Shape createShape() {
return new Square();
}
}
// Abstract product interface
interface Shape {
void draw();
}
// Concrete products
class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a circle");
}
}
class Square implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a square");
}
}
// Usage example:
CircleFactory cf = new CircleFactory();
SquareFactory sf = new SquareFactory();
Shape c = cf.createShape();
c.draw(); // Output: Drawing a circle
Shape s = sf.createShape();
s.draw(); // Output: Drawing a square在上面的例子中，ShapeFactory 是抽象工厂类，它声明了 createShape() 方法，用来产生一系列相关的对象。CircleFactory 和 SquareFactory 分别继承了 ShapeFactory 并实现了 createShape() 方法，用来生产圆形和方形。Shape 是抽象产品类，它为所有的具体产品声明接口，Circle 和 Square 则分别继承了 Shape 并实现了 draw() 方法。
3.1.1.3 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
“抽象工厂模式”是一种创建一系列相关对象（通常是但并非一定是对象），并提供一个接口来创建它们，而不是直接创建某个特定产品的实例。抽象工厂模式涉及到五个角色：
抽象工厂接口(Abstract Factory Interface): 此接口提供了一系列创建产品的抽象方法。
具体工厂类(Concrete Factory Class): 此类实现了抽象工厂接口，并提供创建产品的具体方法。
抽象产品类(Abstract Product Class): 此类提供了所有产品的接口。
具体产品类(Concrete Product Class): 此类实现了抽象产品类的接口，它代表具体的产品对象。
用户类(User Class): 此类使用抽象工厂接口，通过它来获取产品的实例。
我们来看一个 Java 中抽象工厂模式的例子：
// Abstract factory interface
interface VehicleFactory {
Engine createEngine();
Wheel createWheel();
}
// Concrete factories
class CarFactory implements VehicleFactory {
@Override
public Engine createEngine() {
return new ElectricEngine();
}
@Override
public Wheel createWheel() {
return new CarWheel();
}
}
class BikeFactory implements VehicleFactory {
@Override
public Engine createEngine() {
return new PedalEngine();
}
@Override
public Wheel createWheel() {
return new BicycleWheel();
}
}
// Abstract products interfaces
interface Engine {
String getName();
}
interface Wheel {
int getNumOfTeeth();
}
// Concrete products classes
class ElectricEngine implements Engine {
@Override
public String getName() {
return "Electric engine";
}
}
class PedalEngine implements Engine {
@Override
public String getName() {
return "Pedal engine";
}
}
class CarWheel implements Wheel {
@Override
public int getNumOfTeeth() {
return 4;
}
}
class BicycleWheel implements Wheel {
@Override
public int getNumOfTeeth() {
return 2;
}
}
// User class using the abstract factory to get vehicle parts
class Main {
public static void main(String[] args) {
VehicleFactory vf = chooseVehicleType();
Engine e = vf.createEngine();
Wheel w1 = vf.createWheel();
Wheel w2 = vf.createWheel();
// Use the parts
System.out.println("Engine: " + e.getName());
System.out.println("Number of teeth in wheel #1: " + w1.getNumOfTeeth());
System.out.println("Number of teeth in wheel #2: " + w2.getNumOfTeeth());
}
private static VehicleFactory chooseVehicleType() {
char choice ='';
while (choice!= 'C' && choice!= 'B') {
System.out.print("Choose a vehicle type (C for car, B for bicycle): ");
choice = Character.toUpperCase(System.in().charAt(0));
}
if (choice == 'C') {
return new CarFactory();
} else {
return new BikeFactory();
}
}
}在上面的例子中，VehicleFactory 是抽象工厂接口，它提供了两个创建产品的抽象方法 createEngine() 和 createWheel()。CarFactory 和 BikeFactory 分别实现了 VehicleFactory 接口并提供了 createEngine() 和 createWheel() 的具体实现。Engine、Wheel、CarWheel、BicycleWheel 是抽象产品类，它们分别提供了所有产品的接口。Main 是用户类，它使用抽象工厂接口 chooseVehicleType() 来选择要创建的车辆类型，然后通过 vf 获取车辆的引擎和两个轮子，并输出它们的信息。
3.1.2 结构型模式
3.1.2.1 代理模式（Proxy Pattern）
“代理模式”是一种结构型设计模式，它为某一个对象提供一个代替品或者占位符，以控制对这个对象的访问。代理模式中有一个被称为代理(Proxy)的对象，他代表着原始对象的一个替身，所有对于原始对象的访问都要通过代理。代理模式涉及到四个角色：
抽象主题类(Subject Interface): 此接口定义了真实主题和代理主题共有的行为，通常是相同的。
真实主题类(Real Subject): 此类定义了实体主题的功能。
抽象代理类(Proxy Interface): 此接口定义了代理主题的行为，与真实主题保持一致。
代理主题类(Proxy Subject): 此类继承了抽象代理类，并包含一个指向真实主题类的引用。代理主题维护一个指向真实主题类的指针，从而实现真实主题的功能。
我们来看一个 Java 中代理模式的例子：
// Real subject
class BankAccount {
private double balance;
public BankAccount(double initialBalance) {
this.balance = initialBalance;
}
public double getBalance() {
return balance;
}
public boolean deposit(double amount) {
if (amount <= 0) {
return false;
}
balance += amount;
return true;
}
public boolean withdraw(double amount) {
if (amount > balance || amount <= 0) {
return false;
}
balance -= amount;
return true;
}
}
// Proxy subject
class AccountProxy implements BankAccount {
private BankAccount realAccount;
public AccountProxy(BankAccount realAccount) {
this.realAccount = realAccount;
}
public double getBalance() {
return realAccount.getBalance();
}
public boolean deposit(double amount) {
return realAccount.deposit(amount);
}
public boolean withdraw(double amount) {
boolean result = realAccount.withdraw(amount);
notifyOwnerIfWithdrawn(result);
return result;
}
private void notifyOwnerIfWithdrawn(boolean success) {
if (success) {
System.out.println("Transaction successful!");
} else {
System.out.println("Insufficient funds.");
}
}
}
// Client code
public class ProxyExample {
public static void main(String[] args) {
BankAccount account = new AccountProxy(new BankAccount(1000));
account.deposit(500);
account.withdraw(1500); // Insufficient funds!
}
}在上面的例子中，BankAccount 是真实主题类，它定义了银行账户的功能。AccountProxy 是代理主题类，它继承了 BankAccount 并实现了 withdraw() 方法，它会调用真实主题类的 withdraw() 方法并通知账户所有者交易失败，如果交易成功就打印一条消息。Main 是客户代码，它创建一个 AccountProxy 对象并尝试取款，由于余额不足，所以交易失败并打印一条消息。
3.1.2.2 桥接模式（Bridge Pattern）
“桥接模式”是一种结构型设计模式，它将一个软件系统分离为两个相互独立的部分，各自运行时的处理逻辑不同，并且它们可以独立地变化。桥接模式涉及到四个角色：
抽象化类(Abstraction): 此类是系统的抽象化，负责管理子系统的引用。
扩充抽象化类(Refined Abstraction): 此类继承于抽象化类，扩展了功能。
具体化类(Implementor): 此类定义了系统的底层接口，供子系统复用。
桥接类(Bridge): 此类聚合了两个类的对象，使得它们可以像一个对象一样使用，两者之间没有关联。
我们来看一个 Java 中桥接模式的例子：
// Implementors
interface ShapeInterface {
void draw();
}
class Circle implements ShapeInterface {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a circle");
}
}
class Rectangle implements ShapeInterface {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a rectangle");
}
}
class Triangle implements ShapeInterface {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Drawing a triangle");
}
}
// Abstractions
abstract class Color {
protected ShapeInterface shape;
public Color(ShapeInterface shape) {
this.shape = shape;
}
public abstract void fillColor();
}
class Red extends Color {
public Red(ShapeInterface shape) {
super(shape);
}
@Override
public void fillColor() {
System.out.println("Fill color red...");
}
}
class Green extends Color {
public Green(ShapeInterface shape) {
super(shape);
}
@Override
public void fillColor() {
System.out.println("Fill color green...");
}
}
// Bridge
class Painting {
protected Color color;
public Painting(Color color) {
this.color = color;
}
public void paint() {
color.fillColor();
color.shape.draw();
}
}
// Client code
public class BridgeExample {
public static void main(String[] args) {
ShapeInterface shape1 = new Circle();
Color color1 = new Red(shape1);
Painting p1 = new Painting(color1);
p1.paint();
ShapeInterface shape2 = new Rectangle();
Color color2 = new Green(shape2);
Painting p2 = new Painting(color2);
p2.paint();
ShapeInterface shape3 = new Triangle();
Color color3 = new Green(shape3);
Painting p3 = new Painting(color3);
p3.paint();
}
}在上面的例子中，ShapeInterface 是系统的底层接口，用来绘制图形。Circle、Rectangle、Triangle 分别实现了 ShapeInterface 接口。Color 是抽象化类，它负责管理 ShapeInterface 的引用，并定义了颜色填充的接口。Red、Green 分别继承了 Color 并分别实现了 fillColor() 方法。Painting 是桥接类，它聚合了 Color 和 ShapeInterface 对象，使得它们可以像一个对象一样使用，并提供了一个 paint() 方法来展示最终效果。Main 是客户端代码，它创建不同的形状、颜色的画作，并展示最终效果。
3.1.2.3 组合模式（Composite Pattern）
“组合模式”是一种结构型设计模式，它用来创建树形结构，用来表示“部分-整体”层次结构。组合模式涉及到三种角色：
抽象组件类(Component Interface): 此接口定义了组件的基本接口。
叶子组件类(Leaf Component Class): 此类实现了抽象组件类的接口，并持有其他组件对象。
树形组件类(Composite Component Class): 此类实现了抽象组件类的接口，并且可能有子组件对象。
我们来看一个 Java 中组合模式的例子：
// Components
interface Component {
void add(Component component);
void remove(Component component);
void display(int depth);
}
class Leaf implements Component {
private String name;
public Leaf(String name) {
this.name = name;
}
@Override
public void add(Component component) {
throw new UnsupportedOperationException("Cannot add components to a leaf node.");
}
@Override
public void remove(Component component) {
throw new UnsupportedOperationException("Cannot remove components from a leaf node.");
}
@Override
public void display(int depth) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < depth; i++) {
sb.append("-");
}
sb.append(this.name).append("\n");
System.out.println(sb.toString());
}
}
class Composite implements Component {
private List<Component> children = new ArrayList<>();
private String name;
public Composite(String name) {
this.name = name;
}
public void add(Component component) {
children.add(component);
}
public void remove(Component component) {
children.remove(component);
}
@Override
public void display(int depth) {
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (int i = 0; i < depth; i++) {
sb.append("-");
}
sb.append(this.name).append("\n");
for (Component child : children) {
child.display(depth+1);
}
}
}
// Client code
public class CompositeExample {
public static void main(String[] args) {
Component root = new Composite("Root");
Component branch1 = new Composite("Branch1");
Component branch2 = new Composite("Branch2");
Component leaf1 = new Leaf("Leaf1");
Component leaf2 = new Leaf("Leaf2");
Component leaf3 = new Leaf("Leaf3");
root.add(branch1);
root.add(branch2);
branch1.add(leaf1);
branch1.add(leaf2);
branch2.add(leaf3);
root.display(1);
}
}在上面的例子中，Component 是抽象组件接口，定义了组件的基本接口。Leaf 是叶子组件类，它实现了 Component 接口，并持有其他组件对象。Composite 是树形组件类，它实现了 Component 接口，并且可能有子组件对象。Main 是客户端代码，它创建一棵树形结构并展示最终效果。