本系列讲解设计模式，本文是第一篇，介绍学习设计模式的一些必备知识。
说明
学习本系列，您首先得有基本的编程经验，其次要对面向对象有初步的了解，本系列不讲算法（有机会可以出一个系列），不创建应用，只关注如何创建可重用、可扩展的面向对象软件。
什么是设计模式
软件设计中经常有重复的代码，设计模式就是优雅解决重复问题的方案。
例如，我们经常有重复撤销(undo)的操作，有几种不同模式可以实现undo操作，其中之一是备忘录模式(memento pattern)。
设计模式定义了我们如何构建类以及这些类应该如何相互通信。
在本系列中，我们将探索 23 种设计模式，这些模式最初记录在 90 年代的《设计模式-可重用的面向对象软件元素》一书中，该书由四位被称为“四人帮”(GOF, gang of four)的作者撰写，所以我们经常将设计模式称为“四人帮”模式。
23种设计模式分3种类型，创造模式、结构模式以及行为模式。
创造模式是有关创建对象的各种模式，结构模式用于表示对象之间的关系，行为模式则是有关对象间的交互和通信。我们将首先介绍行为设计模式。
需要知道的是，23种设计模式并非包含了这个世界的全部设计模式，还有很多非官方和未记录的设计模式。
学习设计模式有什么好处？
首先我们将学会如何设计可重用、可扩展和可维护的软件；其次可以方便与同行交流，比如有人跟你讨论是否可以用备忘录模式解决问题，你就能马上理解什么意思，而无需对方画出UML说明设计意图；其三，可以让我们更能理解各种框架，目前流行的各类框架背后都有设计模式在支撑，理解了设计模式，你会觉得框架的设计很熟悉，只是语言有差异而已。
如何学习本系列
介绍设计模式的教程，一般是列出一种模式，UML图，然后进行讲解。本系列稍有不同，将尝试探索设计的艺术，理解“四人帮”的设计思路。
本系列使用Java语言，读者当然可以用Python或C# 等自己喜欢的语言，我们的焦点是面向对象的设计艺术而不是具体的语言。下一节开始我们会简单介绍下Java，以便更好地理解面向对象的封装、抽象、继承和多态性。
JAVA基本设置
首先选择Java的编辑器，这里用的是vscode。如果想使用大名鼎鼎的IntelliJ IDEA，可以移步到https://www.jetbrains.com/idea/ 下载安装。
我的操作系统环境是ubuntu20.04，设置步骤是：
安装JDK并检查安装成功：
sudo apt install openjdk-8-jdk
java -version
安装微软Java插件：Extension Pack for Java
创建Java项目根目录比如JavaProjects，然后vscode打开该目录。
command+shift+p打开命令控制板，搜索选择 Java:Create Java Project，新建项目“DesignPatterns”。
设置了包名为top.kelemi，可以是任意的，根据Java约定，包一般是倒装域名，这里也遵循。 我们看到，有一个与文件同名的类Main，一个静态的public方法main，返回值为void，参数是字符数组args，用户输入的命令行参数可以被args捕捉并使用。
类体和函数体用花括号包起来，在Java中，左花括号一般放在同一行的左侧，不像C#那样另起一行。
类
我们在Main类同目录下创建User类，设置属性name，方法sayHello，并创建构造函数User，Java中构造函数与类同名。然后再在Main类中调用。
完成编码后，按下Command+F5运行查看结果。
耦合
面向对象有一个重要概念是耦合，它表示一个类对其他类的依赖程度。
Main类依赖User类，如果User类有修改，比如增加一个age属性，Main类也会受其影响，我们必须重新编译和重新部署。
当前我们的程序只有两个类，修改还比较容易，但实际项目有几百上千个类，如果耦合紧密，修改就很困难了。
举个例子，我们的车子如果爆胎了，更换备胎即可，无需修改发动机、底盘，说明汽车与轮胎是松散耦合。
我们希望应用程序也类似，各子组件相对独立。如何做？
使用接口！
接口
接口是最容易被误解的结构之一。
接口是一份约定，指定类应提供什么功能。
比如，开餐馆招聘厨师，实际上需要的是厨师这个角色，而不是具体的某个人，不管是John或Mary，只要他们是厨师就可以。
这就是接口的意义，通过接口我们可以构建松散耦合的应用程序。
我们使用代码实现。
假设我们要设计一个税收计算器。税收计算器是很复杂的，每一年都是不同的，我们创建一个2022年的税收计算器，又要创建一个2023年的。可以创建接口TaxCalculator，约定一个方法calculateTax()，2022年和2023年的税收计算器类都实现该接口。
在main函数中，我们使用接口TaxCalculator代替具体的TaxCalculator2022类。这样当具体类有变化时，main函数不会受此影响，耦合变宽松了。
细心的读者可能已发现了，Main类中的getTaxCalculate()使用了具体类TaxCalculate2022，使得Main类依赖了该具体类，会导致难以修改。这只是一个简单的例子，实际项目不会这么做，会使用“依赖注入”获取接口的具体类。
我们已介绍了类和接口，接下来就来介绍面向对象的4个核心原则：封装、抽象、继承、多态性。
封装
看个例子。
创建一个Account类，代表银行的账户，有一个公共属性balance表示余额，接着在Main类中调用获取或设置余额。
Main类中可以设置余额balance为负数，这明显有问题，所以我们应该设置不允许外部修改Account类的balance属性。
我们将balance属性改成private，同时添加setBalance和getBalance方法，隐藏内部的细节，并对外部的输入的进行验证，防止我们的对象变成不正常状态。这就是封装原则。
实际情况不会直接设置余额setBalance，而是存款deposit和取款withdraw操作，我们修改下。
抽象
抽象就是通过隐藏不必要的细节来减少复杂性。
比如我们要创建给用户发送邮件的类MailService，有sendEmail(), connect(), disconnect(), authenticate()等方法，对用户而言，他们关心的只有sendEmail()方法，至于connect，disconnect，authenticate等实现细节并不关心。所以我们应该将这些不必要的细节隐藏，将其变成private。
利用抽象原则，用户将更容易使用，在Main中使用MailService，我们就看到sendMail，使用自然非常容易。更重要的是，如果MailService里的private方法后期进行更改比如connect方法添加参数timeout，Main类将不会受任何影响。
继承
通过继承我们可以重用代码。
假设我们创建一个UI框架，有TextBox，Button，CheckBox等，这些UI组件有一些共同的方法，比如enable，focus，setPosition等，通过创建父类UIControl将这些共同的方法提取出来，可以减少代码的重复。
多态性
面向对象最后一个原则是多态性，它表示对象可以呈现出多种形态。
仍以前面的UI框架为例，每一个部件如TextBox、CheckBox都可以在屏幕上渲染出相应的形状。
我们给UIControl添加一个抽象(abstract)方法，同时也需要将UIControl变成抽象类，抽象类及抽象方法可以认为是一个半成品，不能由其生成实例，需要由继承它的类实现它定义的抽象方法，然后才可生成实例。
再在Main类调用画出UI，我们看到，同样的draw方法根据不同的对象画出不同的形状。
UML
UML是统一建模语言(unified Modeling Language)的简写，是一种可视化的建模语言，我们用它表示类以及类之间的关系。
下面是类的一个例子。
矩形最上方是类名，中间是属性，下面是方法，在UML图中，可以表示属性的类型、方法的返回值等，上图的 + 表示public， – 表示private。在本系列的各设计模式中，类的属性默认是private，方法则是public，我们将省略 + – 符号。
类之间的关系一般有3种。
首先是继承关系，用实线箭头表示。
再是组成关系，用钻石+箭头表示。
最后是依赖关系，用虚线箭头表示。当某个类没有其他类的成员，但有依赖，比如参数，本地变量是其他类，就用这种表示。
我们在本系列用到的类之间的关系主要就是这3种。
小结
本文是设计模式系列的第一篇，介绍了学习设计模式的必备知识。
下一篇将正式开始介绍各种设计模式。