软件工程系统设计模式与原理习题集

软件工程系统设计模式与原理习题集姓名_________________________地址_______________________________学号______________________-------------------------------密-------------------------封----------------------------线--------------------------1.请首先在试卷的标封处填写您的姓名，身份证号和地址名称。2.请仔细阅读各种题目，在规定的位置填写您的答案。一、选择题1.结构型设计模式的主要目的是什么？

A.降低模块间的耦合度

B.实现类和对象的复用

C.提高代码的可维护性和可扩展性

D.以上都是

2.装饰器模式与适配器模式的主要区别是什么？

A.装饰器模式用于增加对象的功能，适配器模式用于改变接口

B.装饰器模式是继承，适配器模式是组合

C.装饰器模式关注功能扩展，适配器模式关注接口转换

D.以上都是

3.创建型模式中，单例模式和原型模式的主要应用场景是什么？

A.单例模式：创建唯一实例，如数据库连接

B.原型模式：复制现有对象以创建新对象，如克隆

C.以上都是

D.以上都不是

4.享元模式和工厂方法模式的关系是怎样的？

A.享元模式是工厂方法模式的一种特殊形式

B.工厂方法模式是享元模式的一种实现

C.两者没有直接关系

D.以上都不对

5.行为型模式中，命令模式和策略模式的主要应用场景是什么？

A.命令模式：解耦调用者和被调用者，如远程控制

B.策略模式：定义一系列算法，在运行时选择使用，如支付方式

C.以上都是

D.以上都不是

6.状态模式和观察者模式在系统设计中的作用是什么？

A.状态模式：管理对象内部状态转换，如交通灯

B.观察者模式：对象间的一对多依赖关系，如事件监听

C.以上都是

D.以上都不是

7.享元模式和适配器模式在处理哪些问题时经常结合使用？

A.处理大量相似对象，降低内存消耗

B.处理不同类之间的接口转换

C.以上都是

D.以上都不是

8.适配器模式与桥接模式的主要区别是什么？

A.适配器模式关注接口转换，桥接模式关注抽象和实现分离

B.适配器模式是继承，桥接模式是组合

C.适配器模式用于不同类之间的接口转换，桥接模式用于不同实现之间的转换

D.以上都是

答案及解题思路：

1.答案：D

解题思路：结构型设计模式旨在通过组合或继承等手段来降低系统复杂性，从而提高代码的可维护性和可扩展性。

2.答案：D

解题思路：装饰器模式和适配器模式都旨在解决接口不兼容问题，但装饰器模式是通过包装对象来扩展功能，而适配器模式是通过适配器类来转换接口。

3.答案：C

解题思路：单例模式用于创建唯一实例，如数据库连接；原型模式用于复制现有对象以创建新对象，如克隆。

4.答案：A

解题思路：享元模式是工厂方法模式的一种特殊形式，它通过共享对象来减少内存消耗。

5.答案：C

解题思路：命令模式和策略模式都是行为型模式，命令模式用于解耦调用者和被调用者，策略模式用于定义一系列算法，在运行时选择使用。

6.答案：C

解题思路：状态模式和观察者模式都是行为型模式，状态模式用于管理对象内部状态转换，观察者模式用于对象间的一对多依赖关系。

7.答案：C

解题思路：享元模式和适配器模式在处理大量相似对象和不同类之间的接口转换问题时经常结合使用。

8.答案：D

解题思路：适配器模式关注接口转换，桥接模式关注抽象和实现分离，两者在实现方式上有所不同。二、填空题1.设计模式的基本原则包括：开闭原则、里氏替换原则、单一职责原则、依赖倒置原则和接口隔离原则。

2.装饰器模式是一种结构型设计模式，主要用于动态地给对象添加一些额外的职责。

3.在工厂方法模式中，工厂类负责创建的对象是具体产品。

4.抽象工厂模式中，产品族由多个相互关联的产品构成。

5.在观察者模式中，当目标对象的状态发生变化时，会自动通知所有的观察者。

6.状态模式中，状态负责封装与对象状态相关的行为。

7.模板方法模式的主要特点是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。

8.命令模式中，命令对象负责封装请求，使请求发送者和请求执行者解耦。

答案及解题思路：

1.答案：接口隔离原则

解题思路：接口隔离原则强调的是在软件设计中应该提供尽可能小的接口，并保证这些接口只服务于一个职责。这是为了防止接口过大，导致客户端代码需要依赖不需要的功能，增加维护难度。

2.答案：结构型

解题思路：装饰器模式属于结构型设计模式，它通过动态地添加额外的职责来增强对象的功能，而不改变其接口。

3.答案：具体产品

解题思路：在工厂方法模式中，工厂类负责实例化具体产品类，而不是抽象产品类。

4.答案：多个相互关联的产品

解题思路：抽象工厂模式定义了一个用于创建一系列相关或相互依赖对象的接口，这个接口由具体工厂实现，每个具体工厂创建的产品族中的产品是相互关联的。

5.答案：观察者

解题思路：观察者模式中，目标对象（被观察者）和观察者之间建立了一种一对多的依赖关系。当目标对象的状态发生变化时，它会自动通知所有的观察者。

6.答案：状态

解题思路：状态模式是一种行为设计模式，它允许对象在其内部状态改变时改变其行为。状态负责封装与对象状态相关的行为。

7.答案：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

解题思路：模板方法模式定义了一个算法的骨架，将一些步骤延迟到子类中实现，使得子类可以在不改变算法结构的情况下重定义算法的某些步骤。

8.答案：封装请求，使请求发送者和请求执行者解耦

解题思路：命令模式通过将请求封装成对象，从而允许用户使用不同的请求、队列或日志请求，同时也能支持可撤销的操作。这样做可以使得请求发送者和请求执行者之间解耦。三、判断题1.设计模式都是针对特定场景和问题的解决方案。

正确。设计模式是一种在特定场景下解决问题的通用、可复用的解决方案。

2.装饰器模式和代理模式都可以实现动态地给对象添加职责。

正确。装饰器模式和代理模式都可以在不改变对象内部结构的前提下，动态地为对象添加额外的职责。

3.工厂方法模式和抽象工厂模式都可以实现对象创建的封装。

正确。两种模式都封装了对象的创建过程，使创建对象的过程与对象使用过程分离。

4.观察者模式和状态模式都是行为型设计模式。

正确。观察者模式和状态模式都是针对系统内部各元素之间交互的设计模式，属于行为型设计模式。

5.享元模式和适配器模式都是结构型设计模式。

正确。享元模式关注如何共享相似的对象以节省资源，适配器模式关注如何实现不同类之间的接口兼容，二者都属于结构型设计模式。

6.模板方法模式是一种创建型设计模式。

错误。模板方法模式是一种行为型设计模式，它定义了一个算法的骨架，将一些步骤延迟到子类中实现。

7.命令模式可以用于实现撤销操作。

正确。命令模式允许将请求封装为对象，从而实现可撤销操作。

8.装饰器模式和适配器模式都是用于解决接口不兼容问题的设计模式。

错误。装饰器模式主要用于给对象动态地添加额外的职责，而适配器模式用于实现接口不兼容问题的解决。

答案及解题思路：

答案：

1.正确

2.正确

3.正确

4.正确

5.正确

6.错误

7.正确

8.错误

解题思路：

1.设计模式是面向对象设计的一种通用、可复用的解决方案，其目的是针对特定场景和问题提供解决方案。

2.装饰器模式和代理模式都可以动态地给对象添加额外的职责，这是它们共有的特性。

3.工厂方法模式和抽象工厂模式都封装了对象的创建过程，使对象的创建过程更加灵活和易于管理。

4.观察者模式和状态模式都是针对系统内部各元素之间交互的设计模式，属于行为型设计模式。

5.享元模式和适配器模式都是针对对象间关系的处理，属于结构型设计模式。

6.模板方法模式是一种定义算法骨架的设计模式，其目的是在运行时将算法的某些部分延迟到子类中实现，属于行为型设计模式，而非创建型设计模式。

7.命令模式将请求封装为对象，使得请求的操作可以保存和恢复，因此可以用于实现撤销操作。

8.装饰器模式用于动态地给对象添加额外的职责，而适配器模式用于解决接口不兼容问题，因此这两种模式不是用于解决同一问题的设计模式。

：四、简答题1.简述设计模式的主要类型及其特点。

解答：

设计模式分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。

创建型模式：关注对象创建过程，如工厂方法模式、抽象工厂模式等，特点是可以降低耦合度，使类与类之间的关系更加清晰。

结构型模式：关注类和对象的组合，如适配器模式、装饰器模式等，特点是可以实现类的扩展，使系统更加灵活。

行为型模式：关注对象之间的交互，如观察者模式、策略模式等，特点是可以降低类与类之间的耦合度，提高系统的可维护性。

2.简述工厂方法模式的基本原理和适用场景。

解答：

工厂方法模式的基本原理是定义一个接口用于创建对象，但让子类决定实例化哪个类。适用场景包括：

当需要创建的对象之间存在共性的情况下，如不同品牌手机；

当类之间的层次结构不固定，需要根据运行时条件来创建实例时；

当客户端需要知道具体的产品类，但又不希望客户端与产品类直接交互时。

3.简述策略模式的基本原理和适用场景。

解答：

策略模式的基本原理是定义一系列算法，并将每个算法封装起来，使它们可以相互替换。适用场景包括：

当需要动态选择算法时；

当算法使用频率较高，需要优化功能时；

当需要算法的透明性，即算法实现细节对使用算法的类透明时。

4.简述观察者模式的基本原理和适用场景。

解答：

观察者模式的基本原理是当一个对象发生变化时，自动通知所有依赖于它的对象。适用场景包括：

当一个对象的状态变化可能引起其他对象的相应行为时；

当系统需要实现异步通信时；

当系统需要实现分布式事件处理时。

5.简述模板方法模式的基本原理和适用场景。

解答：

模板方法模式的基本原理是定义一个算法的骨架，并将一些步骤延迟到子类中实现。适用场景包括：

当算法步骤固定，但某些步骤的实现细节可能根据具体情况进行变化时；

当需要实现一些具有相似结构的算法，但具体步骤可能有所不同时；

当算法步骤较多，且每个步骤都需要进行抽象时。

6.简述装饰器模式的基本原理和适用场景。

解答：

装饰器模式的基本原理是动态地给一个对象添加一些额外的职责，而不会影响其他对象。适用场景包括：

当需要给一个现有的对象添加一些额外功能时；

当需要实现一些可重用的代码，但又不想改变原有类的代码结构时；

当需要实现一些具有层次结构的对象时。

7.简述适配器模式的基本原理和适用场景。

解答：

适配器模式的基本原理是提供一个接口，用于将两个不兼容的对象连接在一起。适用场景包括：

当需要将一个类接口转换成客户端期望的另一个接口时；

当需要实现两个不兼容的类之间的通信时；

当需要将一些已经存在的类，通过适配器使其与新的系统兼容时。

8.简述享元模式的基本原理和适用场景。

解答：

享元模式的基本原理是运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。适用场景包括：

当系统需要存储大量对象时，可以减少内存的使用；

当对象具有相似性，可以共享部分数据时；

当对象的创建和销毁代价较高时，可以减少创建和销毁的次数。五、应用题1.设计一个单例模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classSingleton:

_instance=None

staticmethod

defgetInstance():

ifSingleton._instanceisNone:

Singleton._instance=Singleton()

returnSingleton._instance

使用示例

singleton1=Singleton.getInstance()

singleton2=Singleton.getInstance()

print(singleton1issingleton2)输出True

适用场景：

单例模式适用于以下场景：

系统中某个类一个实例，如数据库连接池。

系统需要设置一个全局访问点，如配置管理器。

系统中需要防止多个实例被创建，如序列化工具。

2.设计一个装饰器模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

defdecorator(func):

defwrapper(args,kwargs):

print("装饰器执行前")

result=func(args,kwargs)

print("装饰器执行后")

returnresult

returnwrapper

decorator

defsay_hello(name):

print(f"Hello,{name}!")

使用示例

say_hello("Alice")

适用场景：

装饰器模式适用于以下场景：

在不修改原有对象代码的基础上，增强对象的功能。

动态地给一个对象添加一些额外的职责。

处理那些可以添加到任何类的方法或功能。

3.设计一个工厂方法模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classDog:

defspeak(self):

return"Woof!"

classCat:

defspeak(self):

return"Meow!"

classAnimalFactory:

defcreate_animal(self,animal_type):

ifanimal_type=="dog":

returnDog()

elifanimal_type=="cat":

returnCat()

else:

raiseValueError("Unknownanimaltype")

使用示例

factory=AnimalFactory()

my_dog=factory.create_animal("dog")

print(my_dog.speak())

适用场景：

工厂方法模式适用于以下场景：

一个类不知道它所必须创建的对象的类。

需要一个接口来创建多个子类对象，且用户只需知道创建对象的一个接口。

在一个系统中，需要根据不同的情况创建多个对象。

4.设计一个抽象工厂模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classColor:

pass

classRed(Color):

pass

classBlue(Color):

pass

classShape:

pass

classCircle(Shape):

pass

classSquare(Shape):

pass

classAbstractFactory:

defget_color(self):

pass

defget_shape(self):

pass

classColorFactory(AbstractFactory):

defget_color(self):

returnRed()

defget_shape(self):

returnCircle()

classShapeFactory(AbstractFactory):

defget_color(self):

returnBlue()

defget_shape(self):

returnSquare()

使用示例

factory=ColorFactory()

color=factory.get_color()

shape=factory.get_shape()

print(color,shape)

适用场景：

抽象工厂模式适用于以下场景：

一个系统不应当依赖于产品类实例的创建过程，或者这一过程无法预先知晓。

需要创建相关或依赖对象的家族，且这些对象长在一个接口中。

抽象工厂将一个层次的结构分离到不同的工厂类中，这样的分离使得你可以更容易地改变一个层次的结构，而保持另一个层次不变。

5.设计一个策略模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classStrategy:

defdo_action(self):

pass

classConcreteStrategyA(Strategy):

defdo_action(self):

print("ConcreteStrategyA")

classConcreteStrategyB(Strategy):

defdo_action(self):

print("ConcreteStrategyB")

classContext:

def__init__(self,strategy:Strategy):

self._strategy=strategy

defset_strategy(self,strategy:Strategy):

self._strategy=strategy

defdo_action(self):

self._strategy.do_action()

使用示例

context=Context(ConcreteStrategyA())

context.do_action()

context.set_strategy(ConcreteStrategyB())

context.do_action()

适用场景：

策略模式适用于以下场景：

当算法需要根据当前环境的不同进行选择时。

当一个系统需要实现算法的透明性时。

当一个操作需要多种算法实现，且算法需要经常更换时。

6.设计一个观察者模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classSubject:

def__init__(self):

self._observers=

defattach(self,observer):

self._observers.append(observer)

defdetach(self,observer):

self._observers.remove(observer)

defnotify(self):

forobserverinself._observers:

observer.update()

classObserver:

defupdate(self):

pass

classConcreteObserverA(Observer):

defupdate(self):

print("ObserverAupdated")

classConcreteObserverB(Observer):

defupdate(self):

print("ObserverBupdated")

使用示例

subject=Subject()

observer_a=ConcreteObserverA()

observer_b=ConcreteObserverB()

subject.attach(observer_a)

subject.attach(observer_b)

subject.notify()

适用场景：

观察者模式适用于以下场景：

当一个对象的状态发生变化时需要通知其他对象。

当一个对象的行为需要与其他对象紧密绑定在一起时。

当需要在多个观察者之间共享信息的场景。

7.设计一个模板方法模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classTemplateMethod:

deftemplate_method(self):

self.hook()

self.step1()

self.step2()

self.step3()

defhook(self):

pass

defstep1(self):

print("Step1")

defstep2(self):

print("Step2")

defstep3(self):

print("Step3")

classConcreteTemplateMethodA(TemplateMethod):

defhook(self):

print("HookA")

defstep3(self):

print("CustomStep3A")

classConcreteTemplateMethodB(TemplateMethod):

defhook(self):

print("HookB")

defstep1(self):

print("CustomStep1B")

使用示例

template_a=ConcreteTemplateMethodA()

template_b=ConcreteTemplateMethodB()

template_a.template_method()

template_b.template_method()

适用场景：

模板方法模式适用于以下场景：

当想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。

当希望让一些步骤在不改变算法结构的情况下，可以被改变。

8.设计一个享元模式的实现，并说明其适用场景。

实现代码：

classFlyweight:

defoperate(self,extrinsic_state):

pass

classConcreteFlyweightA(Flyweight):

defoperate(self,extrinsic_state):

print(f"ConcreteFlyweightAwithextrinsicstate:{extrinsic_state}")

classConcreteFlyweightB(Flyweight):

defoperate(self,extrinsic_state):

print(f"ConcreteFlyweightBwithextrinsicstate:{extrinsic_state}")

classFlyweightFactory:

def__init__(self):

self._flyweights={}

defget_flyweight(self,key):

ifkeynotinself._flyweights:

ifkey=="A":

self._flyweights[key]=ConcreteFlyweightA()

elifkey=="B":

self._flyweights[key]=ConcreteFlyweightB()

returnself._flyweights[key]

使用示例

factory=FlyweightFactory()

flyweight_a=factory.get_flyweight("A")

flyweight_a.operate("Someextrinsicstate")

适用场景：

享元模式适用于以下场景：

一个系统有大量对象，而这些对象内部状态和外部状态可以分离。

需要减少对象的创建数量，以节省内存空间。

需要避免大量具有相同内部状态的实例被创建，从而提高功能。

答案及解题思路：

答案及解题思路内容将在后续提供，请参考上述代码实现及适用场景。六、论述题1.结合实际项目，论述设计模式在软件工程中的应用价值。

实际项目案例：以电商平台的购物车模块为例。

应用价值论述：

提高代码重用性：通过设计模式，可以将购物车模块的设计思路应用于其他系统中的购物车功能，减少重复开发。

增强代码可读性和可维护性：设计模式使代码结构清晰，易于理解和维护。

提高系统扩展性：通过设计模式，可以在不修改原有代码的基础上，轻松添加新的功能。

2.论述设计模式在实际项目开发中的重要性。

重要性论述：

提高开发效率：设计模式提供了一套成熟的解决方案，减少了开发过程中的摸索和错误。

降低项目风险：设计模式考虑了系统的可维护性和可扩展性，降低了系统崩溃和维护难度。

提升团队协作：设计模式有助于团队成员之间的沟通和理解，提高团队开发效率。

3.论述设计模式对软件系统可维护性和可扩展性的影响。

影响论述：

可维护性：设计模式使系统结构清晰，易于理解和修改，降低了维护难度。

可扩展性：设计模式提供了灵活的模块化设计，便于添加新功能或修改现有功能。

4.论述设计模式在实际项目中的实践应用。

实践应用案例：

单例模式：在数据库连接管理中，使用单例模式保证全局一个数据库连接实例。

工厂模式：在创建对象时，使用工厂模式减少系统间的耦合，提高代码的可复用性。

观察者模式：在事件监听和消息传递中，使用观察者模式使系统更加灵活和可扩展。

5.论述设计模式在实际项目中的优势与不足。

优势论述：

优势一：提高代码质量，降低维护成本。

优势二：提高开发效率，缩短项目周期。

优势三：增强系统可扩展性，适应业务需求变化。

不足论述：

不足一：设计模式的使用需要一定的学习成本，对开发人员的要求较高。

不足二：过度使用设计模式可能导致代码复杂度增加，降低代码可读性。

不足三：设计模式可能对系统功能产生一定影响，特别是在高并发场景下。

答案及解题思路：

答案：

1.设计模式在软件工程中的应用价值主要体现在提高代码重用性、增强代码可读性和可维护性以及提高系统扩展性等方面。

2.设计模式在实际项目开发中的重要性体现在提高开发效率、降低项目风险以及提升团队协作等方面。

3.设计模式对软件系统可维护性和可扩展性的影响主要体现在降低维护难度和适应业务需求变化等方面。

4.设计模式在实际项目中的实践应用包括单例模式、工厂模式、观察者模式等。

5.设计模式在实际项目中的优势包括提高代码质量、降低维护成本、提高开发效率等；不足包括学习成本高、代码复杂度增加、功能影响等。

解题思路：

1.结合实际项目案例，分析设计模式的应用场景和效果。

2.从重要性、可维护性、可扩展性等方面论述设计模式在软件工程中的应用价值。

3.分析设计模式在实际项目中的实践应用，结合具体案例进行阐述。

4.总结设计模式的优势与不足，从不同角度进行分析。七、案例分析题1.分析一个实际项目中，设计模式的应用情况，并说明其效果。

案例背景：以某电