在軟體工程中，設計模式（Design Pattern）是對軟體設計中普遍存在（反覆出現）的各種問題，所提出的解決方案。根據模式的目的來劃分的話，GoF（Gang of Four）設計模式可以分為以下 3 種類型：
1、創建型模式：用來描述 「如何創建對象」，它的主要特點是 「將對象的創建和使用分離」。包括單例、原型、工廠方法、抽象工廠和建造者 5 種模式。
2、結構型模式：用來描述如何將類或對象按照某種布局組成更大的結構。包括代理、適配器、橋接、裝飾、外觀、享元和組合 7 種模式。
3、行為型模式：用來識別對象之間的常用交流模式以及如何分配職責。包括模板方法、策略、命令、職責鏈、狀態、觀察者、中介者、迭代器、訪問者、備忘錄和解釋器 11 種模式。
接下來阿寶哥將結合一些生活中的場景並通過精美的配圖，來向大家介紹 9 種常用的設計模式。
一、建造者模式建造者模式（Builder Pattern）將一個複雜對象分解成多個相對簡單的部分，然後根據不同需要分別創建它們，最後構建成該複雜對象。
一輛小汽車 🚗 通常由 發動機、底盤、車身和電氣設備 四大部分組成。汽車電氣設備的內部構造很複雜，簡單起見，我們只考慮三個部分：引擎、底盤和車身。
在現實生活中，小汽車也是由不同的零部件組裝而成，比如上圖中我們把小汽車分成引擎、底盤和車身三大部分。下面我們來看一下如何使用建造者模式來造車子。
1.1 實現代碼class Car {
constructor(
public engine: string,
public chassis: string,
public body: string
) {}
}
class CarBuilder {
engine!: string; // 引擎
chassis!: string; // 底盤
body!: string; // 車身
addChassis(chassis: string) {
this.chassis = chassis;
return this;
}
addEngine(engine: string) {
this.engine = engine;
return this;
}
addBody(body: string) {
this.body = body;
return this;
}
build() {
return new Car(this.engine, this.chassis, this.body);
}
}
在以上代碼中，我們定義一個 CarBuilder 類，並提供了 addChassis、addEngine 和 addBody 3 個方法用於組裝車子的不同部位，當車子的 3 個部分都組裝完成後，調用 build 方法就可以開始造車。
1.2 使用示例const car = new CarBuilder()
.addEngine('v12')
.addBody('鎂合金')
.addChassis('複合材料')
.build();
1.3 應用場景及案例需要生成的產品對象有複雜的內部結構，這些產品對象通常包含多個成員屬性。需要生成的產品對象的屬性相互依賴，需要指定其生成順序。隔離複雜對象的創建和使用，並使得相同的創建過程可以創建不同的產品。Github - node-sql-query：https://github.com/dresende/node-sql-query二、工廠模式在現實生活中，工廠是負責生產產品的，比如牛奶、麵包或禮物等，這些產品滿足了我們日常的生理需求。
在眾多設計模式當中，有一種被稱為工廠模式的設計模式，它提供了創建對象的最佳方式。工廠模式可以分為：簡單工廠模式、工廠方法模式和抽象工廠模式。
2.1 簡單工廠簡單工廠模式又叫 靜態方法模式，因為工廠類中定義了一個靜態方法用於創建對象。簡單工廠讓使用者不用知道具體的參數就可以創建出所需的 」產品「 類，即使用者可以直接消費產品而不需要知道產品的具體生產細節。
在上圖中，阿寶哥模擬了用戶購車的流程，小王和小秦分別向 BMW 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車型，接著工廠會先判斷用戶選擇的車型，然後按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給用戶。
下面我們來看一下如何使用簡單工廠來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。
2.1.1 實現代碼abstract class BMW {
abstract run(): void;
}
class BMW730 extends BMW {
run(): void {
console.log("BMW730 發動咯");
}
}
class BMW840 extends BMW {
run(): void {
console.log("BMW840 發動咯");
}
}
class BMWFactory {
public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {
if (model === "730") {
return new BMW730();
} else {
return new BMW840();
}
}
}
在以上代碼中，我們定義一個 BMWFactory 類，該類提供了一個靜態的 produceBMW() 方法，用於根據不同的模型參數來創建不同型號的車子。
2.1.2 使用示例const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730");
const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840");
bmw730.run();
bmw840.run();
2.1.3 應用場景工廠類負責創建的對象比較少：由於創建的對象比較少，不會造成工廠方法中業務邏輯過於複雜。客戶端只需知道傳入工廠類靜態方法的參數，而不需要關心創建對象的細節。2.2 工廠方法工廠方法模式（Factory Method Pattern）又稱為工廠模式，也叫多態工廠（Polymorphic Factory）模式，它屬於類創建型模式。
在工廠方法模式中，工廠父類負責定義創建產品對象的公共接口，而工廠子類則負責生成具體的產品對象， 這樣做的目的是將產品類的實例化操作延遲到工廠子類中完成，即通過工廠子類來確定究竟應該實例化哪一個具體產品類。
在上圖中，阿寶哥模擬了用戶購車的流程，小王和小秦分別向 BMW 730 和 BMW 840 工廠訂購了 BMW730 和 BMW840 型號的車子，接著工廠按照對應的模型進行生產並在生產完成後交付給用戶。
同樣，我們來看一下如何使用工廠方法來描述 BMW 工廠生產指定型號車子的過程。
2.2.1 實現代碼abstract class BMWFactory {
abstract produceBMW(): BMW;
}
class BMW730Factory extends BMWFactory {
produceBMW(): BMW {
return new BMW730();
}
}
class BMW840Factory extends BMWFactory {
produceBMW(): BMW {
return new BMW840();
}
}
在以上代碼中，我們分別創建了 BMW730Factory 和 BMW840Factory 兩個工廠類，然後使用這兩個類的實例來生產不同型號的車子。
2.2.2 使用示例const bmw730Factory = new BMW730Factory();
const bmw840Factory = new BMW840Factory();
const bmw730 = bmw730Factory.produceBMW();
const bmw840 = bmw840Factory.produceBMW();
bmw730.run();
bmw840.run();
2.2.3 應用場景一個類不知道它所需要的對象的類：在工廠方法模式中，客戶端不需要知道具體產品類的類名，只需要知道所對應的工廠即可，具體的產品對象由具體工廠類創建；客戶端需要知道創建具體產品的工廠類。一個類通過其子類來指定創建哪個對象：在工廠方法模式中，對於抽象工廠類只需要提供一個創建產品的接口，而由其子類來確定具體要創建的對象，利用面向對象的多態性和裡氏代換原則，在程序運行時，子類對象將覆蓋父類對象，從而使得系統更容易擴展。2.3 抽象工廠抽象工廠模式（Abstract Factory Pattern），提供一個創建一系列相關或相互依賴對象的接口，而無須指定它們具體的類。
在工廠方法模式中具體工廠負責生產具體的產品，每一個具體工廠對應一種具體產品，工廠方法也具有唯一性，一般情況下，一個具體工廠中只有一個工廠方法或者一組重載的工廠方法。但是有時候我們需要一個工廠可以提供多個產品對象，而不是單一的產品對象。
在上圖中，阿寶哥模擬了用戶購車的流程，小王向 BMW 工廠訂購了 BMW730，工廠按照 730 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小王。而小秦向同一個 BMW 工廠訂購了 BMW840，工廠按照 840 對應的模型進行生產並在生產完成後交付給小秦。
下面我們來看一下如何使用抽象工廠來描述上述的購車過程。
2.3.1 實現代碼abstract class BMWFactory {
abstract produce730BMW(): BMW730;
abstract produce840BMW(): BMW840;
}
class ConcreteBMWFactory extends BMWFactory {
produce730BMW(): BMW730 {
return new BMW730();
}
produce840BMW(): BMW840 {
return new BMW840();
}
}
2.3.2 使用示例const bmwFactory = new ConcreteBMWFactory();
const bmw730 = bmwFactory.produce730BMW();
const bmw840 = bmwFactory.produce840BMW();
bmw730.run();
bmw840.run();
2.3.3 應用場景一個系統不應當依賴於產品類實例如何被創建、組合和表達的細節，這對於所有類型的工廠模式都是重要的。系統中有多於一個的產品族，而每次只使用其中某一產品族。系統提供一個產品類的庫，所有的產品以同樣的接口出現，從而使客戶端不依賴於具體實現。三、單例模式單例模式（Singleton Pattern）是一種常用的模式，有一些對象我們往往只需要一個，比如全局緩存、瀏覽器中的 window 對象等。單例模式用於保證一個類僅有一個實例，並提供一個訪問它的全局訪問點。
在上圖中，阿寶哥模擬了借車的流程，小王臨時有急事找阿寶哥借車子，阿寶哥家的車子剛好沒用，就借給小王了。當天，小秦也需要用車子，也找阿寶哥借車，因為阿寶哥家裡只有一輛車子，所以就沒有車可借了。
對於車子來說，它雖然給生活帶來了很大的便利，但養車也需要一筆不小的費用（車位費、油費和保養費等），所以阿寶哥家裡只有一輛車子。
在開發軟體系統時，如果遇到創建對象時耗時過多或耗資源過多，但又經常用到的對象，我們就可以考慮使用單例模式。
下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現單例模式。
3.1 實現代碼class Singleton {
// 定義私有的靜態屬性，來保存對象實例
private static singleton: Singleton;
private constructor() {}
// 提供一個靜態的方法來獲取對象實例
public static getInstance(): Singleton {
if (!Singleton.singleton) {
Singleton.singleton = new Singleton();
}
return Singleton.singleton;
}
}
3.2 使用示例let instance1 = Singleton.getInstance();
let instance2 = Singleton.getInstance();
console.log(instance1 === instance2); // true
3.3 應用場景創建對象時耗時過多或耗資源過多，但又經常用到的對象。系統只需要一個實例對象，如系統要求提供一個唯一的序列號生成器或資源管理器，或者需要考慮資源消耗太大而只允許創建一個對象。四、適配器模式在實際生活中，也存在適配器的使用場景，比如：港式插頭轉換器、電源適配器和 USB 轉接口。而在軟體工程中，適配器模式的作用是解決兩個軟體實體間的接口不兼容的問題。使用適配器模式之後，原本由於接口不兼容而不能工作的兩個軟體實體就可以一起工作。
4.1 實現代碼interface Logger {
info(message: string): Promise<void>;
}
interface CloudLogger {
sendToServer(message: string, type: string): Promise<void>;
}
class AliLogger implements CloudLogger {
public async sendToServer(message: string, type: string): Promise<void> {
console.info(message);
console.info('This Message was saved with AliLogger');
}
}
class CloudLoggerAdapter implements Logger {
protected cloudLogger: CloudLogger;
constructor (cloudLogger: CloudLogger) {
this.cloudLogger = cloudLogger;
}
public async info(message: string): Promise<void> {
await this.cloudLogger.sendToServer(message, 'info');
}
}
class NotificationService {
protected logger: Logger;
constructor (logger: Logger) {
this.logger = logger;
}
public async send(message: string): Promise<void> {
await this.logger.info(`Notification sended: ${message}`);
}
}
在以上代碼中，因為 Logger 和 CloudLogger 這兩個接口不匹配，所以我們引入了 CloudLoggerAdapter 適配器來解決兼容性問題。
4.2 使用示例(async () => {
const aliLogger = new AliLogger();
const cloudLoggerAdapter = new CloudLoggerAdapter(aliLogger);
const notificationService = new NotificationService(cloudLoggerAdapter);
await notificationService.send('Hello semlinker, To Cloud');
})();
4.3 應用場景及案例以前開發的系統存在滿足新系統功能需求的類，但其接口同新系統的接口不一致。使用第三方提供的組件，但組件接口定義和自己要求的接口定義不同。Github - axios-mock-adapter：https://github.com/ctimmerm/axios-mock-adapter五、觀察者模式 & 發布訂閱模式5.1 觀察者模式觀察者模式，它定義了一種一對多的關係，讓多個觀察者對象同時監聽某一個主題對象，這個主題對象的狀態發生變化時就會通知所有的觀察者對象，使得它們能夠自動更新自己。
在觀察者模式中有兩個主要角色：Subject（主題）和 Observer（觀察者）。
在上圖中，Subject（主題）就是阿寶哥的 TS 專題文章，而觀察者就是小秦和小王。由於觀察者模式支持簡單的廣播通信，當消息更新時，會自動通知所有的觀察者。
下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現觀察者模式。
5.1.1 實現代碼interface Observer {
notify: Function;
}
class ConcreteObserver implements Observer{
constructor(private name: string) {}
notify() {
console.log(`${this.name} has been notified.`);
}
}
class Subject {
private observers: Observer[] = [];
public addObserver(observer: Observer): void {
console.log(observer, "is pushed!");
this.observers.push(observer);
}
public deleteObserver(observer: Observer): void {
console.log("remove", observer);
const n: number = this.observers.indexOf(observer);
n != -1 && this.observers.splice(n, 1);
}
public notifyObservers(): void {
console.log("notify all the observers", this.observers);
this.observers.forEach(observer => observer.notify());
}
}
5.1.2 使用示例const subject: Subject = new Subject();
const xiaoQin = new ConcreteObserver("小秦");
const xiaoWang = new ConcreteObserver("小王");
subject.addObserver(xiaoQin);
subject.addObserver(xiaoWang);
subject.notifyObservers();
subject.deleteObserver(xiaoQin);
subject.notifyObservers();
5.1.3 應用場景及案例一個對象的行為依賴於另一個對象的狀態。或者換一種說法，當被觀察對象（目標對象）的狀態發生改變時 ，會直接影響到觀察對象的行為。RxJS Subject：https://github.com/ReactiveX/rxjs/blob/master/src/internal/Subject.tsRxJS Subject 文檔：https://rxjs.dev/guide/subject5.2 發布訂閱模式在軟體架構中，發布/訂閱是一種消息範式，消息的發送者（稱為發布者）不會將消息直接發送給特定的接收者（稱為訂閱者）。而是將發布的消息分為不同的類別，然後分別發送給不同的訂閱者。 同樣的，訂閱者可以表達對一個或多個類別的興趣，只接收感興趣的消息，無需了解哪些發布者存在。
在發布訂閱模式中有三個主要角色：Publisher（發布者）、 Channels（通道）和 Subscriber（訂閱者）。
在上圖中，Publisher（發布者）是阿寶哥，Channels（通道）中 Topic A 和 Topic B 分別對應於 TS 專題和 Deno 專題，而 Subscriber（訂閱者）就是小秦、小王和小池。
下面我們來看一下如何使用 TypeScript 來實現發布訂閱模式。
5.2.1 實現代碼type EventHandler = (...args: any[]) => any;
class EventEmitter {
private c = new Map<string, EventHandler[]>();
// 訂閱指定的主題
subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {
let topics = this.c.get(topic);
if (!topics) {
this.c.set(topic, topics = []);
}
topics.push(...handlers);
}
// 取消訂閱指定的主題
unsubscribe(topic: string, handler?: EventHandler): boolean {
if (!handler) {
return this.c.delete(topic);
}
const topics = this.c.get(topic);
if (!topics) {
return false;
}
const index = topics.indexOf(handler);
if (index < 0) {
return false;
}
topics.splice(index, 1);
if (topics.length === 0) {
this.c.delete(topic);
}
return true;
}
// 為指定的主題發布消息
publish(topic: string, ...args: any[]): any[] | null {
const topics = this.c.get(topic);
if (!topics) {
return null;
}
return topics.map(handler => {
try {
return handler(...args);
} catch (e) {
console.error(e);
return null;
}
});
}
}
5.2.2 使用示例const eventEmitter = new EventEmitter();
eventEmitter.subscribe("ts", (msg) => console.log(`收到訂閱的消息：${msg}`) );
eventEmitter.publish("ts", "TypeScript發布訂閱模式");
eventEmitter.unsubscribe("ts");
eventEmitter.publish("ts", "TypeScript發布訂閱模式");
5.2.3 應用場景對象間存在一對多關係，一個對象的狀態發生改變會影響其他對象。BetterScroll - EventEmitter：https://github.com/ustbhuangyi/better-scroll/blob/dev/packages/shared-utils/src/events.ts六、策略模式策略模式（Strategy Pattern）定義了一系列的算法，把它們一個個封裝起來，並且使它們可以互相替換。策略模式的重心不是如何實現算法，而是如何組織、調用這些算法，從而讓程序結構更靈活、可維護、可擴展。
目前在一些主流的 Web 站點中，都提供了多種不同的登錄方式。比如帳號密碼登錄、手機驗證碼登錄和第三方登錄。為了方便維護不同的登錄方式，我們可以把不同的登錄方式封裝成不同的登錄策略。
下面我們來看一下如何使用策略模式來封裝不同的登錄方式。
6.1 實現代碼為了更好地理解以下代碼，我們先來看一下對應的 UML 類圖：
interface Strategy {
authenticate(...args: any): any;
}
class Authenticator {
strategy: any;
constructor() {
this.strategy = null;
}
setStrategy(strategy: any) {
this.strategy = strategy;
}
authenticate(...args: any) {
if (!this.strategy) {
console.log('尚未設置認證策略');
return;
}
return this.strategy.authenticate(...args);
}
}
class WechatStrategy implements Strategy {
authenticate(wechatToken: string) {
if (wechatToken !== '123') {
console.log('無效的微信用戶');
return;
}
console.log('微信認證成功');
}
}
class LocalStrategy implements Strategy {
authenticate(username: string, password: string) {
if (username !== 'abao' && password !== '123') {
console.log('帳號或密碼錯誤');
return;
}
console.log('帳號和密碼認證成功');
}
}
6.2 使用示例const auth = new Authenticator();
auth.setStrategy(new WechatStrategy());
auth.authenticate('123456');
auth.setStrategy(new LocalStrategy());
auth.authenticate('abao', '123');
6.3 應用場景及案例一個系統需要動態地在幾種算法中選擇一種時，可將每個算法封裝到策略類中。多個類只區別在表現行為不同，可以使用策略模式，在運行時動態選擇具體要執行的行為。一個類定義了多種行為，並且這些行為在這個類的操作中以多個條件語句的形式出現，可將每個條件分支移入它們各自的策略類中以代替這些條件語句。Github - passport-local：https://github.com/jaredhanson/passport-localGithub - passport-oauth2：https://github.com/jaredhanson/passport-oauth2Github - zod：https://github.com/vriad/zod/blob/master/src/types/string.ts七、職責鏈模式職責鏈模式是使多個對象都有機會處理請求，從而避免請求的發送者和接受者之間的耦合關係。在職責鏈模式裡，很多對象由每一個對象對其下家的引用而連接起來形成一條鏈。請求在這個鏈上傳遞，直到鏈上的某一個對象決定處理此請求。
在公司中不同的崗位擁有不同的職責與權限。以上述的請假流程為例，當阿寶哥請 1 天假時，只要組長審批就可以了，不需要流轉到主管和總監。如果職責鏈上的某個環節無法處理當前的請求，若含有下個環節，則會把請求轉交給下個環節來處理。
在日常的軟體開發過程中，對於職責鏈來說，一種常見的應用場景是中間件，下面我們來看一下如何利用職責鏈來處理請求。
7.1 實現代碼為了更好地理解以下代碼，我們先來看一下對應的 UML 類圖：
interface IHandler {
addMiddleware(h: IHandler): IHandler;
get(url: string, callback: (data: any) => void): void;
}
abstract class AbstractHandler implements IHandler {
next!: IHandler;
addMiddleware(h: IHandler) {
this.next = h;
return this.next;
}
get(url: string, callback: (data: any) => void) {
if (this.next) {
return this.next.get(url, callback);
}
}
}
// 定義Auth中間件
class Auth extends AbstractHandler {
isAuthenticated: boolean;
constructor(username: string, password: string) {
super();
this.isAuthenticated = false;
if (username === 'abao' && password === '123') {
this.isAuthenticated = true;
}
}
get(url: string, callback: (data: any) => void) {
if (this.isAuthenticated) {
return super.get(url, callback);
} else {
throw new Error('Not Authorized');
}
}
}
// 定義Logger中間件
class Logger extends AbstractHandler {
get(url: string, callback: (data: any) => void) {
console.log('/GET Request to: ', url);
return super.get(url, callback);
}
}
class Route extends AbstractHandler {
URLMaps: {[key: string]: any};
constructor() {
super();
this.URLMaps = {
'/api/todos': [{ title: 'learn ts' }, { title: 'learn react' }],
'/api/random': Math.random(),
};
}
get(url: string, callback: (data: any) => void) {
super.get(url, callback);
if (this.URLMaps.hasOwnProperty(url)) {
callback(this.URLMaps[url]);
}
}
}
7.2 使用示例const route = new Route();
route.addMiddleware(new Auth('abao', '123')).addMiddleware(new Logger());
route.get('/api/todos', data => {
console.log(JSON.stringify({ data }, null, 2));
});
route.get('/api/random', data => {
console.log(data);
});
7.3 應用場景想在不明確指定接收者的情況下，向多個對象中的一個提交一個請求。有多個對象可以處理一個請求，哪個對象處理該請求運行時自動確定，客戶端只需要把請求提交到鏈上即可。八、模板方法模式模板方法模式由兩部分結構組成：抽象父類和具體的實現子類。通常在抽象父類中封裝了子類的算法框架，也包括實現一些公共方法以及封裝子類中所有方法的執行順序。子類通過繼承這個抽象類，也繼承了整個算法結構，並且可以選擇重寫父類的方法。
在上圖中，阿寶哥通過使用不同的解析器來分別解析 CSV 和 Markup 文件。雖然解析的是不同的類型的文件，但文件的處理流程是一樣的。這裡主要包含讀取文件、解析文件和列印數據三個步驟。針對這個場景，我們就可以引入模板方法來封裝以上三個步驟的處理順序。
下面我們來看一下如何使用模板方法來實現上述的解析流程。
8.1 實現代碼為了更好地理解以下代碼，我們先來看一下對應的 UML 類圖：
import fs from 'fs';
abstract class DataParser {
data: string = '';
out: any = null;
// 這就是所謂的模板方法
parse(pathUrl: string) {
this.readFile(pathUrl);
this.doParsing();
this.printData();
}
readFile(pathUrl: string) {
this.data = fs.readFileSync(pathUrl, 'utf8');
}
abstract doParsing(): void;
printData() {
console.log(this.out);
}
}
class CSVParser extends DataParser {
doParsing() {
this.out = this.data.split(',');
}
}
class MarkupParser extends DataParser {
doParsing() {
this.out = this.data.match(/<\w+>.*<\/\w+>/gim);
}
}
8.2 使用示例const csvPath = './data.csv';
const mdPath = './design-pattern.md';
new CSVParser().parse(csvPath);
new MarkupParser().parse(mdPath);
8.3 應用場景算法的整體步驟很固定，但其中個別部分易變時，這時候可以使用模板方法模式，將容易變的部分抽象出來，供子類實現。當需要控制子類的擴展時，模板方法只在特定點調用鉤子操作，這樣就只允許在這些點進行擴展。九、參考資源