上海交大C++课件：剖析设计模式在实际编程中的应用

上海交大C++课件：剖析设计模式在实际编程中的应用汇报人：2024-11-16设计模式概述设计模式的基本原则常见设计模式解析设计模式在实际编程中的应用场景设计模式的优缺点及适用场景分析大学生如何学习与应用设计模式目录01设计模式概述定义分类关注对象之间的通信和协作方式，如策略模式、观察者模式、模板方法模式等。行为型模式关注对象之间的组合和关联方式，如适配器模式、桥接模式、组合模式等。结构型模式关注对象的创建过程，如工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式等。创建型模式设计模式是在软件开发中，针对特定问题的优雅解决方案，它是经验总结的智慧结晶。设计模式通常根据用途和范围分为三类，即创建型模式、结构型模式和行为型模式。定义与分类提升系统可扩展性设计模式有助于我们在系统中定义良好的接口和抽象类，使得系统能够更容易地进行扩展和适应新的需求。提高代码可重用性设计模式提供了一种优秀的解决方案，使得代码可以被重复利用，减少了代码冗余，提高了开发效率。增加系统可维护性通过采用设计模式，可以使系统更加模块化，降低系统的复杂性，从而提高系统的可维护性。设计模式的重要性设计模式提供了一套可重用的设计方案，使得开发人员可以更加便捷地构建出高质量的软件系统。提高软件可复用性通过应用设计模式，可以降低软件系统的复杂性，提高代码的可读性和可维护性，从而减少软件维护成本。增强软件可维护性设计模式作为一种通用的设计语言，有助于团队成员之间更加顺畅地交流和协作，提高开发效率。促进团队协作设计模式与软件开发的关系02设计模式的基本原则一个类应该只有一个引起变化的原因，即每一个类应该只有一个职责。定义在编程中，如果一个类承担的职责过多，就等于把这些职责耦合在一起，一个职责的变化可能会削弱或者抑制这个类完成其他职责的能力。这种耦合会导致脆弱的设计，当变化发生时，设计会遭受到意想不到的破坏。因此，应该将不同的职责分离到不同的类中，使每个类只有一个职责，从而提高系统的可维护性和可扩展性。应用单一职责原则软件实体（类、模块、函数等等）应当是可扩展，而不可修改的。即对于扩展是开放的，对于修改是封闭的。定义在编程中，开放封闭原则要求我们通过扩展已有软件系统的方式来提供新的行为，而不是通过修改已有的代码来实现。这样可以保证原有系统的稳定性和可靠性，同时又能满足新的需求。为了实现开放封闭原则，我们可以采用抽象和接口等技术手段来定义系统的可扩展点，从而允许新的行为以扩展的方式加入到系统中。应用开放封闭原则定义所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。即子类必须能够替换掉它们的父类。应用在编程中，里氏替换原则要求我们在设计类的时候，要保证子类在替换父类后，程序的行为不会发生变化。这个原则强调了基类和子类之间的行为应该是一致的，即子类不应该引入新的行为或者破坏父类的行为。为了实现里氏替换原则，我们可以采用继承和多态等技术手段来确保子类可以无缝地替换掉父类。里氏替换原则定义高层模块不应该依赖于低层模块，两者都应该依赖于抽象；抽象不应该依赖于细节，细节应该依赖于抽象。01依赖倒置原则应用在编程中，依赖倒置原则要求我们在设计系统的时候，要尽量减少类之间的耦合度，提高系统的可维护性和可扩展性。为了实现这个原则，我们可以采用接口或者抽象类来定义类之间的依赖关系，从而使得高层模块不依赖于具体的低层模块，而是依赖于抽象的接口或者抽象类。这样可以降低系统之间的耦合度，提高系统的灵活性和可重用性。02接口隔离原则定义客户端不应该依赖它不需要的接口；一个类对另一个类的依赖性应当是建立在最小的接口上。应用在编程中，接口隔离原则要求我们在设计接口的时候，应该尽量将接口细化，避免设计出过于庞大和复杂的接口。如果一个接口包含了太多的方法，那么实现这个接口的类就必须实现所有的方法，即使有些方法并不是这个类所需要的。这会导致代码的冗余和浪费，同时也会增加系统的复杂性和维护成本。因此，我们应该将接口拆分成多个小接口，每个接口只包含一组相关的方法，从而使得类只需要实现它们真正需要的方法。这样可以提高系统的灵活性和可维护性。03常见设计模式解析定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。工厂方法使一个类的实例化延迟到其子类。提供一个接口，用于创建相关或依赖对象的家族，而不需要明确指定具体类。将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。确保一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。创建型模式工厂方法模式抽象工厂模式建造者模式单例模式适配器模式将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口。适配器模式让原本接口不兼容的类可以合作无间。结构型模式01桥接模式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。02组合模式允许你将对象组合成树形结构以表示“部分-整体”的层次结构，组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。03装饰器模式动态地给一个对象添加一些额外的职责，就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。04状态模式允许一个对象在其内部状态改变时改变它的行为。对象看起来似乎修改了它的类。观察者模式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。模板方法模式定义一个操作中的算法的骨架，而将一些步骤延迟到子类中。模板方法使得子类可以不改变一个算法的结构即可重定义该算法的某些特定步骤。策略模式定义了一系列的算法，并将每一个算法封装起来，使它们可以互相替换。策略模式使得算法可以独立于使用它的客户变化。行为型模式04设计模式在实际编程中的应用场景优化游戏性能合理的设计模式应用能够有效地降低游戏的资源消耗，提高运行效率，为玩家带来更加流畅的游戏体验。提高游戏可扩展性在游戏开发中，设计模式可以帮助开发者更好地组织代码，使得游戏功能更加模块化，便于后续扩展和维护。增强游戏交互性通过应用设计模式，游戏中的角色、场景等元素可以更加灵活地交互，提升游戏体验。游戏开发中的设计模式应用网络编程面临着复杂的通信和数据处理问题，设计模式在此领域的应用能够显著提升代码的健壮性和可维护性。设计模式如工厂模式、单例模式等可以帮助管理和组织网络通信中的对象，降低通信复杂性。简化网络通信观察者模式、策略模式等设计模式能够优化数据处理流程，提高网络应用的数据处理效率。提升数据处理效率通过代理模式、门面模式等设计模式的应用，可以增强网络系统的安全性，防止恶意攻击。增强系统安全性网络编程中的设计模式应用使用设计模式可以优化数据库查询，减少不必要的数据访问，从而提升数据访问效率。设计模式还可以帮助实现数据库连接池，避免频繁创建和关闭数据库连接，提高系统性能。提高数据访问效率通过合理应用设计模式，如事务脚本模式、领域模型模式等，可以确保数据库操作的一致性和完整性。设计模式还有助于实现数据校验和错误处理机制，防止脏数据进入数据库。增强数据一致性数据库操作中的设计模式应用设计模式在图形界面设计中可以帮助实现界面与逻辑的分离，使得界面更加美观且易于维护。应用设计模式还可以实现丰富的交互效果，提升用户的操作体验。提升用户体验通过使用设计模式，如MVC模式、观察者模式等，可以显著提高图形界面开发的效率。设计模式还有助于实现代码复用和模块化开发，降低开发成本。提高开发效率图形界面设计中的设计模式应用05设计模式的优缺点及适用场景分析优点分析可重用性设计模式是经验的总结，提供了可重用的设计思路，减少了重复劳动。灵活性设计模式使得软件系统更加灵活，易于修改和扩展，提高了系统的可维护性。解耦性设计模式有助于降低系统各模块之间的耦合度，增强系统的稳定性和可复用性。易于理解设计模式通常使用简洁明了的命名和描述，使得开发人员更容易理解和交流设计意图。学习和掌握设计模式需要一定的时间和精力投入，对于初学者可能存在一定的难度。学习成本过度使用设计模式可能导致系统变得复杂和难以理解，甚至可能引入不必要的抽象和开销。过度使用如果不正确地使用设计模式，可能会导致系统出现问题，甚至背离设计模式的初衷。误用风险缺点分析010203需要提高代码的可复用性和可维护性设计模式通常提供了一种优秀的代码结构，使得代码更易于理解和维护，并且可以提高代码的可复用性，从而减少开发成本。面向对象设计存在大量相似问题当在软件设计中发现许多相似或重复出现的问题时，可以考虑使用设计模式来提供通用的解决方案，从而简化设计过程。需求变化导致系统结构不稳定当系统需求经常发生变化，导致系统结构不稳定时，可以使用设计模式来增加系统的灵活性和可扩展性，使系统更容易适应变化。适用场景探讨06大学生如何学习与应用设计模式单一职责原则一个类应该只有一个引起变化的原因，即每一个类应该只有一个职责。开放封闭原则软件实体（类、模块、函数等等）应当是可以扩展，而不可修改的。即对于扩展是开放的，对于修改是封闭的。里氏替换原则所有引用基类的地方必须能透明地使用其子类的对象。理解并掌握基本的设计原则案例学习是理解和掌握设计模式的有效途径。通过分析具体案例，可以深入了解设计模式的应用场景和实现方式。观察者模式案例通过实现一个观察者模式的案例，理解对象间的一对多依赖关系，当一个对象改变状态，则所有依赖于它的对象都会得到通知并被自动更新。工厂模式案例学习如何通过工厂模式创建对象，理解其封装创建逻辑、降低代码耦合度的优点。通过案例学习常见的设计模式提高代码的可维护性和可扩展性应用设计模式可以使代码更加清晰、易于理解，从而提高代码的可维护性。设计模式还可以降低代码的耦合度，提高代码的可扩展性，便于后续的功能添加和修改。提升开发效率和质量熟练掌握设