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在软件工程中，设计模式（Design Pattern）是对软件设计中普遍存在（反复出现）的各种问题，所提出的解决方案。根据模式的目的来划分的话，GoF（Gang of Four）设计模式可以分为以下 3 种类型：

1、创建型模式：用来描述 “如何创建对象”，它的主要特点是 “将对象的创建和使用分离”。包括单例、原型、工厂方法、抽象工厂和建造者 5 种模式。

2、结构型模式：用来描述如何将类或对象按照某种布局组成更大的结构。包括代理、适配器、桥接、装饰、外观、享元和组合 7 种模式。

3、行为型模式：用来识别对象之间的常用交流模式以及如何分配职责。包括模板方法、策略、命令、职责链、状态、观察者、中介者、迭代器、访问者、备忘录和解释器 11 种模式。

接下来阿宝哥将结合一些生活中的场景并通过精美的配图，来向大家介绍 9 种常用的设计模式。

一、建造者模式 ​

建造者模式（Builder Pattern）将一个复杂对象分解成多个相对简单的部分，然后根据不同需要分别创建它们，最后构建成该复杂对象。

一辆小汽车 🚗 通常由 发动机、底盘、车身和电气设备 四大部分组成。汽车电气设备的内部构造很复杂，简单起见，我们只考虑三个部分：引擎、底盘和车身。

在现实生活中，小汽车也是由不同的零部件组装而成，比如上图中我们把小汽车分成引擎、底盘和车身三大部分。下面我们来看一下如何使用建造者模式来造车子。

1.1 实现代码 ​
class Car {  constructor(    public engine: string,    public chassis: string,     public body: string  ) {}}class CarBuilder {  engine!: string; // 引擎  chassis!: string; // 底盘  body!: string; // 车身  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);  }}

在以上代码中，我们定义一个 CarBuilder 类，并提供了 addChassis、addEngine 和 addBody 3 个方法用于组装车子的不同部位，当车子的 3 个部分都组装完成后，调用 build 方法就可以开始造车。

1.2 使用示例 ​
const car = new CarBuilder()  .addEngine('v12')  .addBody('镁合金')  .addChassis('复合材料')  .build();
1.3 应用场景及案例 ​

  • 需要生成的产品对象有复杂的内部结构，这些产品对象通常包含多个成员属性。

  • 需要生成的产品对象的属性相互依赖，需要指定其生成顺序。

  • 隔离复杂对象的创建和使用，并使得相同的创建过程可以创建不同的产品。

  • Github - node-sql-query：https://github.com/dresende/node-sql-query

二、工厂模式 ​

在现实生活中，工厂是负责生产产品的，比如牛奶、面包或礼物等，这些产品满足了我们日常的生理需求。

在众多设计模式当中，有一种被称为工厂模式的设计模式，它提供了创建对象的最佳方式。工厂模式可以分为：简单工厂模式、工厂方法模式和抽象工厂模式。

2.1 简单工厂 ​

简单工厂模式又叫 静态方法模式，因为工厂类中定义了一个静态方法用于创建对象。简单工厂让使用者不用知道具体的参数就可以创建出所需的 ” 产品 “ 类，即使用者可以直接消费产品而不需要知道产品的具体生产细节。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王和小秦分别向 BMW 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车型，接着工厂会先判断用户选择的车型，然后按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

下面我们来看一下如何使用简单工厂来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.1.1 实现代码 ​
abstract class BMW {  abstract run(): void;}class BMW730 extends BMW {  run(): void {    console.log("BMW730 发动咯");  }}class BMW840 extends BMW {  run(): void {    console.log("BMW840 发动咯");  }}class BMWFactory {  public static produceBMW(model: "730" | "840"): BMW {    if (model === "730") {      return new BMW730();    } else {      return new BMW840();    }  }}

在以上代码中，我们定义一个 BMWFactory 类，该类提供了一个静态的 produceBMW() 方法，用于根据不同的模型参数来创建不同型号的车子。

2.1.2 使用示例 ​
const bmw730 = BMWFactory.produceBMW("730");const bmw840 = BMWFactory.produceBMW("840");bmw730.run();bmw840.run();
2.1.3 应用场景 ​

  • 工厂类负责创建的对象比较少：由于创建的对象比较少，不会造成工厂方法中业务逻辑过于复杂。

  • 客户端只需知道传入工厂类静态方法的参数，而不需要关心创建对象的细节。

2.2 工厂方法 ​

工厂方法模式（Factory Method Pattern）又称为工厂模式，也叫多态工厂（Polymorphic Factory）模式，它属于类创建型模式。

在工厂方法模式中，工厂父类负责定义创建产品对象的公共接口，而工厂子类则负责生成具体的产品对象， 这样做的目的是将产品类的实例化操作延迟到工厂子类中完成，即通过工厂子类来确定究竟应该实例化哪一个具体产品类。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王和小秦分别向 BMW 730 和 BMW 840 工厂订购了 BMW730 和 BMW840 型号的车子，接着工厂按照对应的模型进行生产并在生产完成后交付给用户。

同样，我们来看一下如何使用工厂方法来描述 BMW 工厂生产指定型号车子的过程。

2.2.1 实现代码 ​
abstract class BMWFactory {  abstract produceBMW(): BMW;}class BMW730Factory extends BMWFactory {  produceBMW(): BMW {    return new BMW730();  }}class BMW840Factory extends BMWFactory {  produceBMW(): BMW {    return new BMW840();  }}

在以上代码中，我们分别创建了 BMW730Factory 和 BMW840Factory 两个工厂类，然后使用这两个类的实例来生产不同型号的车子。

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 应用场景 ​

  • 一个类不知道它所需要的对象的类：在工厂方法模式中，客户端不需要知道具体产品类的类名，只需要知道所对应的工厂即可，具体的产品对象由具体工厂类创建；客户端需要知道创建具体产品的工厂类。

  • 一个类通过其子类来指定创建哪个对象：在工厂方法模式中，对于抽象工厂类只需要提供一个创建产品的接口，而由其子类来确定具体要创建的对象，利用面向对象的多态性和里氏代换原则，在程序运行时，子类对象将覆盖父类对象，从而使得系统更容易扩展。

2.3 抽象工厂 ​

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern），提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无须指定它们具体的类。

在工厂方法模式中具体工厂负责生产具体的产品，每一个具体工厂对应一种具体产品，工厂方法也具有唯一性，一般情况下，一个具体工厂中只有一个工厂方法或者一组重载的工厂方法。但是有时候我们需要一个工厂可以提供多个产品对象，而不是单一的产品对象。

在上图中，阿宝哥模拟了用户购车的流程，小王向 BMW 工厂订购了 BMW730，工厂按照 730 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小王。而小秦向同一个 BMW 工厂订购了 BMW840，工厂按照 840 对应的模型进行生产并在生产完成后交付给小秦。

下面我们来看一下如何使用抽象工厂来描述上述的购车过程。

2.3.1 实现代码 ​
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 应用场景 ​

  • 一个系统不应当依赖于产品类实例如何被创建、组合和表达的细节，这对于所有类型的工厂模式都是重要的。

  • 系统中有多于一个的产品族，而每次只使用其中某一产品族。

  • 系统提供一个产品类的库，所有的产品以同样的接口出现，从而使客户端不依赖于具体实现。

三、单例模式 ​

单例模式（Singleton Pattern）是一种常用的模式，有一些对象我们往往只需要一个，比如全局缓存、浏览器中的 window 对象等。单例模式用于保证一个类仅有一个实例，并提供一个访问它的全局访问点。

在上图中，阿宝哥模拟了借车的流程，小王临时有急事找阿宝哥借车子，阿宝哥家的车子刚好没用，就借给小王了。当天，小秦也需要用车子，也找阿宝哥借车，因为阿宝哥家里只有一辆车子，所以就没有车可借了。

对于车子来说，它虽然给生活带来了很大的便利，但养车也需要一笔不小的费用（车位费、油费和保养费等），所以阿宝哥家里只有一辆车子。

在开发软件系统时，如果遇到创建对象时耗时过多或耗资源过多，但又经常用到的对象，我们就可以考虑使用单例模式。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现单例模式。

3.1 实现代码 ​
class Singleton {  // 定义私有的静态属性，来保存对象实例  private static singleton: Singleton;  private constructor() {}  // 提供一个静态的方法来获取对象实例  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 应用场景 ​

  • 需要频繁实例化然后销毁的对象。

  • 创建对象时耗时过多或耗资源过多，但又经常用到的对象。

  • 系统只需要一个实例对象，如系统要求提供一个唯一的序列号生成器或资源管理器，或者需要考虑资源消耗太大而只允许创建一个对象。

四、适配器模式 ​

在实际生活中，也存在适配器的使用场景，比如：港式插头转换器、电源适配器和 USB 转接口。而在软件工程中，适配器模式的作用是解决两个软件实体间的接口不兼容的问题**。**使用适配器模式之后，原本由于接口不兼容而不能工作的两个软件实体就可以一起工作。

4.1 实现代码 ​
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}`);  }}

在以上代码中，因为 Logger 和 CloudLogger 这两个接口不匹配，所以我们引入了 CloudLoggerAdapter 适配器来解决兼容性问题。

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 应用场景及案例 ​

  • 以前开发的系统存在满足新系统功能需求的类，但其接口同新系统的接口不一致。

  • 使用第三方提供的组件，但组件接口定义和自己要求的接口定义不同。

  • Github - axios-mock-adapter：https://github.com/ctimmerm/axios-mock-adapter

五、观察者模式 & 发布订阅模式 ​

5.1 观察者模式 ​

观察者模式，它定义了一种一对多的关系，让多个观察者对象同时监听某一个主题对象，这个主题对象的状态发生变化时就会通知所有的观察者对象，使得它们能够自动更新自己。

在观察者模式中有两个主要角色：Subject（主题）和 Observer（观察者）。

在上图中，Subject（主题）就是阿宝哥的 TS 专题文章，而观察者就是小秦和小王。由于观察者模式支持简单的广播通信，当消息更新时，会自动通知所有的观察者。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现观察者模式。

5.1.1 实现代码 ​
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 应用场景及案例 ​

5.2 发布订阅模式 ​

在软件架构中，发布 / 订阅是一种消息范式，消息的发送者（称为发布者）不会将消息直接发送给特定的接收者（称为订阅者）。而是将发布的消息分为不同的类别，然后分别发送给不同的订阅者。 同样的，订阅者可以表达对一个或多个类别的兴趣，只接收感兴趣的消息，无需了解哪些发布者存在。

在发布订阅模式中有三个主要角色：Publisher（发布者）、 Channels（通道）和 Subscriber（订阅者）。

在上图中，Publisher（发布者）是阿宝哥，Channels（通道）中 Topic A 和 Topic B 分别对应于 TS 专题和 Deno 专题，而 Subscriber（订阅者）就是小秦、小王和小池。

下面我们来看一下如何使用 TypeScript 来实现发布订阅模式。

5.2.1 实现代码 ​
type EventHandler = (...args: any[]) => any;class EventEmitter {  private c = new Map<string, EventHandler[]>();  // 订阅指定的主题  subscribe(topic: string, ...handlers: EventHandler[]) {    let topics = this.c.get(topic);    if (!topics) {      this.c.set(topic, topics = []);    }    topics.push(...handlers);  }  // 取消订阅指定的主题  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;  }  // 为指定的主题发布消息  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(`收到订阅的消息：${msg}`) );eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式");eventEmitter.unsubscribe("ts");eventEmitter.publish("ts", "TypeScript发布订阅模式");
5.2.3 应用场景 ​

六、策略模式 ​

策略模式（Strategy Pattern）定义了一系列的算法，把它们一个个封装起来，并且使它们可以互相替换。策略模式的重心不是如何实现算法，而是如何组织、调用这些算法，从而让程序结构更灵活、可维护、可扩展。

目前在一些主流的 Web 站点中，都提供了多种不同的登录方式。比如账号密码登录、手机验证码登录和第三方登录。为了方便维护不同的登录方式，我们可以把不同的登录方式封装成不同的登录策略。

下面我们来看一下如何使用策略模式来封装不同的登录方式。

6.1 实现代码 ​

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

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('尚未设置认证策略');      return;    }    return this.strategy.authenticate(...args);  }}class WechatStrategy implements Strategy {  authenticate(wechatToken: string) {    if (wechatToken !== '123') {      console.log('无效的微信用户');      return;    }    console.log('微信认证成功');  }}class LocalStrategy implements Strategy {  authenticate(username: string, password: string) {    if (username !== 'abao' && password !== '123') {      console.log('账号或密码错误');      return;    }    console.log('账号和密码认证成功');  }}
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 应用场景及案例 ​

七、职责链模式 ​

职责链模式是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受者之间的耦合关系。在职责链模式里，很多对象由每一个对象对其下家的引用而连接起来形成一条链。请求在这个链上传递，直到链上的某一个对象决定处理此请求。

在公司中不同的岗位拥有不同的职责与权限。以上述的请假流程为例，当阿宝哥请 1 天假时，只要组长审批就可以了，不需要流转到主管和总监。如果职责链上的某个环节无法处理当前的请求，若含有下个环节，则会把请求转交给下个环节来处理。

在日常的软件开发过程中，对于职责链来说，一种常见的应用场景是中间件，下面我们来看一下如何利用职责链来处理请求。

7.1 实现代码 ​

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

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);    }  }}// 定义Auth中间件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');    }  }}// 定义Logger中间件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 应用场景 ​

  • 可处理一个请求的对象集合应被动态指定。

  • 想在不明确指定接收者的情况下，向多个对象中的一个提交一个请求。

  • 有多个对象可以处理一个请求，哪个对象处理该请求运行时自动确定，客户端只需要把请求提交到链上即可。

八、模板方法模式 ​

模板方法模式由两部分结构组成：抽象父类和具体的实现子类。通常在抽象父类中封装了子类的算法框架，也包括实现一些公共方法以及封装子类中所有方法的执行顺序。子类通过继承这个抽象类，也继承了整个算法结构，并且可以选择重写父类的方法。

在上图中，阿宝哥通过使用不同的解析器来分别解析 CSV 和 Markup 文件。虽然解析的是不同的类型的文件，但文件的处理流程是一样的。这里主要包含读取文件、解析文件和打印数据三个步骤。针对这个场景，我们就可以引入模板方法来封装以上三个步骤的处理顺序。

下面我们来看一下如何使用模板方法来实现上述的解析流程。

8.1 实现代码 ​

为了更好地理解以下代码，我们先来看一下对应的 UML 类图：

import fs from 'fs';abstract class DataParser {  data: string = '';  out: any = null;  // 这就是所谓的模板方法  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 应用场景 ​

  • 算法的整体步骤很固定，但其中个别部分易变时，这时候可以使用模板方法模式，将容易变的部分抽象出来，供子类实现。

  • 当需要控制子类的扩展时，模板方法只在特定点调用钩子操作，这样就只允许在这些点进行扩展。

参考 ​

  • 维基百科 - 设计模式

  • Java 设计模式：23 种设计模式全面解析

  • Design Patterns Everyday

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