### 23种设计模式详解
#### 一、引言
设计模式是在软件工程领域内广泛应用的一种编程思想，它提供了一系列解决常见问题的最佳实践。由Erich Gamma等四位作者（通常被称为Gang of Four，简称GoF）所编写的《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中详细介绍了23种经典设计模式。这些模式不仅能够帮助开发者更好地理解和设计面向对象系统，还能提高代码的复用性和可维护性。
#### 二、创建型模式
1. **Factory模式**
- **定义**：提供了一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。
- **应用场景**：当一个类不知道它所必须创建的对象的类的时候；或者当一个类希望由它的子类来指定它所创建的对象的时候；或者当创建对象的操作应该独立于使用这些对象的那些类的时候。
- **优点**：隐藏了具体类的实例化细节，使代码更加灵活；提高了系统的可扩展性。
2. **Abstract Factory模式**
- **定义**：提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而无需指定它们的具体类。
- **应用场景**：当一个系统需要独立于它的产品创建、组合时；或者一个系统要由多个产品系列中的一个来配置时。
- **优点**：可以在不修改代码的情况下添加新的产品系列；分离产品的具体类和接口，使得系统更易于扩展和维护。
3. **Singleton模式**
- **定义**：确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。
- **应用场景**：控制资源的单点访问，例如数据库连接、线程池等。
- **优点**：控制资源的使用，避免过多实例化带来的开销；简化对资源的访问。
4. **Builder模式**
- **定义**：将一个复杂对象的构建与其表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
- **应用场景**：当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分及其装配方式时。
- **优点**：能够构造出复杂的对象；易于扩展，可以增加更多的步骤。
5. **Prototype模式**
- **定义**：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
- **应用场景**：当类的实例化需要花费大量资源时，可以通过复制现有的实例来提高效率。
- **优点**：提高创建对象的性能；能够克隆现有对象而不暴露其内部实现。
#### 三、结构型模式
1. **Bridge模式**
- **定义**：将抽象部分与它的实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
- **应用场景**：当一个类的实现应该独立于它的接口及客户使用它的部分时。
- **优点**：提高了系统的可扩展性；可以独立地管理接口和实现。
2. **Adapter模式**
- **定义**：将一个类的接口转换成客户希望的另一个接口，适配器让原本因接口不兼容而不能一起工作的类可以一起工作。
- **应用场景**：希望复用一些现存的类，但接口又与复用环境要求不一致时。
- **优点**：可以复用现有组件；灵活性高，减少系统间的耦合度。
3. **Decorator模式**
- **定义**：动态地给一个对象添加一些额外的职责。
- **应用场景**：需要扩展功能或增加行为时，不想通过继承来实现。
- **优点**：保持了良好的封装性；易于扩展。
4. **Composite模式**
- **定义**：将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构。
- **应用场景**：需要处理对象集合的情况，希望用户可以统一操作单个对象和组合对象。
- **优点**：可以清晰地定义层次结构中的共享行为；易于理解，符合直觉。
5. **Flyweight模式**
- **定义**：运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。
- **应用场景**：需要大量相似对象时。
- **优点**：减少了内存消耗；提高了性能。
6. **Facade模式**
- **定义**：为子系统中的一组接口提供一个一致的界面，Facade模式定义了一个高层接口，这个接口使得这一子系统更加容易使用。
- **应用场景**：需要简化一个复杂子系统的使用时。
- **优点**：降低了客户端与子系统之间的耦合度；提高了系统的灵活性。
7. **Proxy模式**
- **定义**：为其他对象提供一个代理以控制对这个对象的访问。
- **应用场景**：需要控制对某个对象的访问时。
- **优点**：提供了额外的功能（如缓存、日志记录等）；保护目标对象不被随意访问。
#### 四、行为模式
1. **Template Method模式**
- **定义**：定义一个操作中的算法骨架，而将一些步骤延迟到子类中。
- **应用场景**：多个子类有共同的算法或流程时。
- **优点**：实现了算法的稳定性和灵活性。
2. **Strategy模式**
- **定义**：定义了一系列算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。
- **应用场景**：多个算法具有相同的入口点时。
- **优点**：易于切换算法；易于扩展新算法。
3. **State模式**
- **定义**：允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。
- **应用场景**：对象的行为依赖于它的状态，并且它可以自动地在各种行为之间“切换”。
- **优点**：将状态与行为分离，提高灵活性。
4. **Observer模式**
- **定义**：定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。
- **应用场景**：一个对象状态的变化需要通知其他对象，但并不知道具体有多少对象。
- **优点**：降低对象之间的耦合度；支持广播通信。
5. **Memento模式**
- **定义**：在不破坏封装性的前提下，捕获一个对象的内部状态，并在该对象之外保存这个状态。
- **应用场景**：需要在操作过程中保存和恢复数据时。
- **优点**：简化了原发器类；确保不会对外暴露对象的内部状态。
6. **Mediator模式**
- **定义**：用一个中介对象来封装一系列的对象交互。
- **应用场景**：多个对象彼此之间存在复杂的交互时。
- **优点**：减少对象间的耦合；提高系统的灵活性。
7. **Command模式**
- **定义**：将一个请求封装为一个对象，从而使你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。
- **应用场景**：需要在不同的时间点执行请求时。
- **优点**：易于扩展新命令；支持撤销操作。
8. **Visitor模式**
- **定义**：表示一个作用于某对象结构中的各元素的操作。
- **应用场景**：需要对一个对象结构中的对象进行很多不同的并且不相关的操作时。
- **优点**：增加新的操作很容易。
9. **Chain of Responsibility模式**
- **定义**：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收者之间的耦合关系。
- **应用场景**：有多个处理者，但不确定哪个处理者能处理请求时。
- **优点**：降低耦合度；增强给请求的处理者分配新的责任的灵活性。
10. **Iterator模式**
- **定义**：提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。
- **应用场景**：遍历集合中的元素时。
- **优点**：提供了遍历集合的统一接口；支持多种遍历方式。
11. **Interpreter模式**
- **定义**：给定一个语言，定义它的文法的一种表示，并定义一个解释器，这个解释器使用该表示来解释语言中的句子。
- **应用场景**：需要解释的领域特定语言时。
- **优点**：易于扩展语言；易于更改和扩展文法规则。
以上23种设计模式涵盖了软件开发中的许多典型问题，并提供了相应的解决方案。通过深入理解和应用这些模式，开发者能够在实践中更好地应对各种挑战，提高软件质量和开发效率。
