软件设计模式：设计原则、模式分类与实战应用，提升代码质量

# 1. 软件设计原则**

软件设计原则是一组指导软件设计的指导方针，旨在提高代码质量、可维护性和可扩展性。这些原则有助于创建灵活、可重用和易于理解的代码。

**1.1 单一职责原则**

单一职责原则规定，每个类或模块只应负责一个特定的任务。这有助于降低耦合度，提高可维护性，因为更改一个模块不会影响其他模块。

**1.2 开闭原则**

开闭原则指出，软件应该对扩展开放，对修改关闭。这意味着新功能可以通过扩展现有代码来添加，而无需修改现有代码。这提高了代码的可扩展性和可维护性。

# 2. 设计模式分类

设计模式是一种经过验证的解决方案，用于解决软件设计中常见的问题。它们提供了一种系统化的方法来组织和结构代码，从而提高其可维护性、可扩展性和可读性。设计模式通常被分为三大类：创建型、结构型和行为型。

### 2.1 创建型模式

创建型模式关注于创建对象的机制。它们提供了一种灵活的方式来创建对象，而无需指定其具体类。

#### 2.1.1 单例模式

单例模式确保一个类只有一个实例，并提供一个全局访问点。它用于创建全局对象或限制对资源的访问。

**代码块：**

public class Singleton {
    private static Singleton instance;

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

**逻辑分析：**

* 私有构造函数防止直接创建实例。
* `getInstance()` 方法检查实例是否存在，如果不存在则创建它。
* 每次调用 `getInstance()` 都返回相同的实例，确保单例性。

#### 2.1.2 工厂方法模式

工厂方法模式定义了一个创建对象的接口，但将实际创建过程延迟到子类。它允许在不指定具体类的情况下创建对象。

**代码块：**

class ShapeFactory:
    def create_shape(self, shape_type):
        if shape_type == "circle":
            return Circle()
        elif shape_type == "rectangle":
            return Rectangle()
        else:
            raise ValueError("Invalid shape type")

class Circle:
    def draw(self):
        print("Drawing a circle")

class Rectangle:
    def draw(self):
        print("Drawing a rectangle")

factory = ShapeFactory()
circle = factory.create_shape("circle")
circle.draw()

**逻辑分析：**

* `ShapeFactory` 定义了创建形状对象的接口。
* 子类（`Circle` 和 `Rectangle`）实现具体的创建方法。
* 客户端通过工厂对象创建形状，而无需知道具体类。

#### 2.1.3 抽象工厂模式

抽象工厂模式提供了一个接口，用于创建一系列相关的对象，而无需指定它们的具体类。它用于创建对象家族，这些对象在接口上相关但实现不同。

**代码块：**

class ShapeFactory {
public:
    virtual Shape* create_circle() = 0;
    virtual Shape* create_rectangle() = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a circle" << std::endl;
    }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() override {
        std::cout << "Drawing a rectangle" << std::endl;
    }
};

class ShapeFactory1 : public ShapeFactory {
public:
    Shape* create_circl