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= 设计模式实践应用 =

设计模式是软件开发中用于解决常见问题的可重用解决方案。它们提供了经过验证的开发范例，能够提高代码的可维护性、可扩展性和可重用性。本章节将深入探讨设计模式的实践应用，帮助初学者和高级开发者理解如何在实际项目中应用这些模式。

== 简介 ==
设计模式最早由“四人帮”（GoF）在《设计模式：可复用面向对象软件的基础》一书中提出，分为三大类：
* '''创建型模式'''：处理对象创建机制（如工厂模式、单例模式）
* '''结构型模式'''：处理类和对象的组合（如适配器模式、装饰器模式）
* '''行为型模式'''：处理对象间通信（如观察者模式、策略模式）

== 常用设计模式实践 ==

=== 单例模式 (Singleton) ===
确保一个类只有一个实例，并提供全局访问点。

'''应用场景'''：数据库连接池、日志系统、配置管理器

<syntaxhighlight lang="java">
public class DatabaseConnection {
    private static DatabaseConnection instance;
    
    private DatabaseConnection() {} // 私有构造函数
    
    public static synchronized DatabaseConnection getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new DatabaseConnection();
        }
        return instance;
    }
    
    public void connect() {
        System.out.println("Connected to database");
    }
}

// 使用示例
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        DatabaseConnection db1 = DatabaseConnection.getInstance();
        DatabaseConnection db2 = DatabaseConnection.getInstance();
        
        System.out.println(db1 == db2); // 输出: true
        db1.connect(); // 输出: Connected to database
    }
}
</syntaxhighlight>

=== 工厂模式 (Factory) ===
创建对象而不指定具体类。

'''应用场景'''：UI组件创建、支付系统集成

<mermaid>
classDiagram
    class Product {
        +operation()
    }
    class ConcreteProductA {
        +operation()
    }
    class ConcreteProductB {
        +operation()
    }
    class Creator {
        +factoryMethod()* Product
    }
    class ConcreteCreatorA {
        +factoryMethod() Product
    }
    class ConcreteCreatorB {
        +factoryMethod() Product
    }
    
    Product <|-- ConcreteProductA
    Product <|-- ConcreteProductB
    Creator <|-- ConcreteCreatorA
    Creator <|-- ConcreteCreatorB
    ConcreteCreatorA --> ConcreteProductA
    ConcreteCreatorB --> ConcreteProductB
</mermaid>

<syntaxhighlight lang="python">
from abc import ABC, abstractmethod

class Button(ABC):
    @abstractmethod
    def render(self):
        pass

class WindowsButton(Button):
    def render(self):
        return "Windows风格按钮"

class MacOSButton(Button):
    def render(self):
        return "MacOS风格按钮"

class Dialog(ABC):
    @abstractmethod
    def create_button(self) -> Button:
        pass
    
    def render(self):
        button = self.create_button()
        print(f"渲染: {button.render()}")

class WindowsDialog(Dialog):
    def create_button(self) -> Button:
        return WindowsButton()

class MacOSDialog(Dialog):
    def create_button(self) -> Button:
        return MacOSButton()

# 客户端代码
def client_code(dialog: Dialog):
    dialog.render()

client_code(WindowsDialog())  # 输出: 渲染: Windows风格按钮
client_code(MacOSDialog())    # 输出: 渲染: MacOS风格按钮
</syntaxhighlight>

=== 观察者模式 (Observer) ===
定义对象间的一对多依赖关系，当一个对象状态改变时，所有依赖者都会收到通知。

'''应用场景'''：事件处理系统、实时数据更新

<syntaxhighlight lang="typescript">
interface Observer {
    update(data: any): void;
}

interface Subject {
    subscribe(observer: Observer): void;
    unsubscribe(observer: Observer): void;
    notify(data: any): void;
}

class NewsPublisher implements Subject {
    private observers: Observer[] = [];
    
    subscribe(observer: Observer) {
        this.observers.push(observer);
    }
    
    unsubscribe(observer: Observer) {
        this.observers = this.observers.filter(obs => obs !== observer);
    }
    
    notify(news: string) {
        this.observers.forEach(observer => observer.update(news));
    }
}

class NewsSubscriber implements Observer {
    constructor(private name: string) {}
    
    update(news: string) {
        console.log(`${this.name} 收到新闻: ${news}`);
    }
}

// 使用示例
const publisher = new NewsPublisher();
const subscriber1 = new NewsSubscriber("用户A");
const subscriber2 = new NewsSubscriber("用户B");

publisher.subscribe(subscriber1);
publisher.subscribe(subscriber2);

publisher.notify("股市大涨！");
// 输出:
// 用户A 收到新闻: 股市大涨！
// 用户B 收到新闻: 股市大涨！
</syntaxhighlight>

== 实际案例分析 ==

=== 电商系统中的设计模式应用 ===
1. '''策略模式'''用于支付方式选择（信用卡、支付宝、微信支付）
2. '''装饰器模式'''用于订单价格计算（基础价格+折扣+运费）
3. '''责任链模式'''用于订单处理流程（验证→支付→发货→通知）

=== 游戏开发中的设计模式 ===
1. '''状态模式'''处理游戏角色状态（行走、奔跑、攻击）
2. '''组合模式'''构建游戏场景树状结构
3. '''命令模式'''实现游戏操作撤销/重做

== 设计模式选择指南 ==
选择设计模式时应考虑：
* 问题的本质
* 系统的可维护性需求
* 团队对模式的熟悉程度
* 性能影响

可以使用以下决策流程：
<mermaid>
graph TD
    A[识别问题] --> B{需要创建对象?}
    B -->|是| C[考虑创建型模式]
    B -->|否| D{需要组织类结构?}
    D -->|是| E[考虑结构型模式]
    D -->|否| F[考虑行为型模式]
</mermaid>

== 常见误区 ==
* '''过度使用模式'''：不是所有问题都需要设计模式
* '''模式滥用'''：强行套用模式可能使代码更复杂
* '''忽视上下文'''：同一模式在不同场景效果可能不同

== 数学基础 ==
某些设计模式可以形式化表示。例如观察者模式可以表示为：

<math>
\begin{cases}
\text{Subject} = (O, S, \text{attach}, \text{detach}, \text{notify}) \\
\text{Observer} = (U) \\
\text{attach}(o: O) \rightarrow S' \\
\text{detach}(o: O) \rightarrow S' \\
\text{notify}() \rightarrow \forall o \in O, o.U(s)
\end{cases}
</math>

其中：
* <math>O</math> 是观察者集合
* <math>S</math> 是主题状态
* <math>U</math> 是更新函数

== 总结 ==
设计模式是强大的工具，但需要根据实际情况合理使用。掌握设计模式的实践应用能够：
* 提高代码质量
* 增强系统扩展性
* 促进团队协作
* 减少潜在错误

建议从简单模式开始实践，逐步掌握更复杂的模式组合应用。记住，设计模式是手段而非目的，简洁有效的解决方案才是最终目标。

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