设计模式

设计模式简介

设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。

设计模式是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理地运用设计模式可以完美地解决很多问题，每种模式在现实中都有相应的原理来与之对应，每种模式都描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是设计模式能被广泛应用的原因。

开发人员的共同平台

设计模式提供了一个标准的术语系统，且具体到特定的情景。例如，单例设计模式意味着使用单个对象，这样所有熟悉单例设计模式的开发人员都能使用单个对象，并且可以通过这种方式告诉对方，程序使用的是单例模式。

最佳的实践

设计模式已经经历了很长一段时间的发展，它们提供了软件开发过程中面临的一般问题的最佳解决方案。学习这些模式有助于经验不足的开发人员通过一种简单快捷的方式来学习软件设计。

根据设计模式的参考书 Design Patterns - Elements of Reusable Object-Oriented Software（中文译名：设计模式 - 可复用的面向对象软件元素） 中所提到的，总共有 23 种设计模式。这些模式可以分为三大类：创建型模式（Creational Patterns）、结构型模式（Structural Patterns）、行为型模式（Behavioral Patterns）。

设计模式分类

创建型模式

这些设计模式提供了一种在创建对象的同时隐藏创建逻辑的方式，而不是使用 new 运算符直接实例化对象。这使得程序在判断针对某个给定实例需要创建哪些对象时更加灵活。5种。

• 工厂模式（Factory Pattern）
• 抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）
• 单例模式（Singleton Pattern）
• 建造者模式（Builder Pattern）
• 原型模式（Prototype Pattern）

结构型模式

这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。7种。

• 适配器模式（Adapter Pattern）
• 桥接模式（Bridge Pattern）
• 组合模式（Composite Pattern）
• 装饰器模式（Decorator Pattern）
• 外观模式（Facade Pattern）
• 享元模式（Flyweight Pattern）
• 代理模式（Proxy Pattern）

行为型模式

这些设计模式特别关注对象之间的通信。11种。

• 责任链模式（Chain of Responsibility Pattern）
• 命令模式（Command Pattern）
• 解释器模式（Interpreter Pattern）
• 迭代器模式（Iterator Pattern）
• 中介者模式（Mediator Pattern）
• 备忘录模式（Memento Pattern）
• 观察者模式（Observer Pattern）
• 状态模式（State Pattern）
• 策略模式（Strategy Pattern）
• 模板模式（Template Pattern）
• 访问者模式（Visitor Pattern）

设计模式的六大原则

1、开闭原则（Open Close Principle）

开闭原则的意思是：对扩展开放，对修改关闭。在程序需要进行拓展的时候，不能去修改原有的代码，实现一个热插拔的效果。简言之，是为了使程序的扩展性好，易于维护和升级。想要达到这样的效果，我们需要使用接口和抽象类。

2、里氏代换原则（Liskov Substitution Principle）

里氏代换原则是面向对象设计的基本原则之一。 里氏代换原则中说，任何基类可以出现的地方，子类一定可以出现。LSP 是继承复用的基石，只有当派生类可以替换掉基类，且软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而派生类也能够在基类的基础上增加新的行为。里氏代换原则是对开闭原则的补充。实现开闭原则的关键步骤就是抽象化，而基类与子类的继承关系就是抽象化的具体实现，所以里氏代换原则是对实现抽象化的具体步骤的规范。

3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）

这个原则是开闭原则的基础，具体内容：针对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（Interface Segregation Principle）

这个原则的意思是：使用多个隔离的接口，比使用单个接口要好。它还有另外一个意思是：降低类之间的耦合度。由此可见，其实设计模式就是从大型软件架构出发、便于升级和维护的软件设计思想，它强调降低依赖，降低耦合。

5、迪米特法则，又称最少知道原则（Demeter Principle）

最少知道原则是指：一个实体应当尽量少地与其他实体之间发生相互作用，使得系统功能模块相对独立。

6、合成复用原则（Composite Reuse Principle）

合成复用原则是指：尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

工厂模式

工厂模式（Factory Pattern）是 Java 中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。

**意图：**定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行。

**主要解决：**主要解决接口选择的问题。

**何时使用：**我们明确地计划不同条件下创建不同实例时。

**如何解决：**让其子类实现工厂接口，返回的也是一个抽象的产品。

**关键代码：**创建过程在其子类执行。

应用实例： 1、您需要一辆汽车，可以直接从工厂里面提货，而不用去管这辆汽车是怎么做出来的，以及这个汽车里面的具体实现。 2、Hibernate 换数据库只需换方言和驱动就可以。

优点： 1、一个调用者想创建一个对象，只要知道其名称就可以了。 2、扩展性高，如果想增加一个产品，只要扩展一个工厂类就可以。 3、屏蔽产品的具体实现，调用者只关心产品的接口。

**缺点：**每次增加一个产品时，都需要增加一个具体类和对象实现工厂，使得系统中类的个数成倍增加，在一定程度上增加了系统的复杂度，同时也增加了系统具体类的依赖。这并不是什么好事。

使用场景： 1、日志记录器：记录可能记录到本地硬盘、系统事件、远程服务器等，用户可以选择记录日志到什么地方。 2、数据库访问，当用户不知道最后系统采用哪一类数据库，以及数据库可能有变化时。 3、设计一个连接服务器的框架，需要三个协议，”POP3”、”IMAP”、”HTTP”，可以把这三个作为产品类，共同实现一个接口。

**注意事项：**作为一种创建类模式，在任何需要生成复杂对象的地方，都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意的地方就是复杂对象适合使用工厂模式，而简单对象，特别是只需要通过 new 就可以完成创建的对象，无需使用工厂模式。如果使用工厂模式，就需要引入一个工厂类，会增加系统的复杂度。

我们将创建一个 Shape 接口和实现 Shape 接口的实体类。下一步是定义工厂类 ShapeFactory。

FactoryPatternDemo 类使用 ShapeFactory 来获取 Shape 对象。它将向 ShapeFactory 传递信息（CIRCLE / RECTANGLE / SQUARE），以便获取它所需对象的类型。

public interface Shape {
    void draw();
}

public class Rectangle implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
    }
}

public class Square implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Square::draw() method.");
    }
}

public class Circle implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
    }
}

public class ShapeFactory {
    //使用 getShape 方法获取形状类型的对象
    public Shape getShape(String shapeType){
        if(shapeType == null){
            return null;
        }
        if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
            return new Circle();
        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
            return new Rectangle();
        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
            return new Square();
        }
        return null;
    }
}

public class FactoryPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();

        //获取 Circle 的对象，并调用它的 draw 方法
        Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");

        //调用 Circle 的 draw 方法
        shape1.draw();//Inside Circle::draw() method.

        //获取 Rectangle 的对象，并调用它的 draw 方法
        Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");

        //调用 Rectangle 的 draw 方法
        shape2.draw();//Inside Rectangle::draw() method.

        //获取 Square 的对象，并调用它的 draw 方法
        Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");

        //调用 Square 的 draw 方法
        shape3.draw();//Inside Square::draw() method.
    }
}

抽象工厂模式

抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是围绕一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

在抽象工厂模式中，接口是负责创建一个相关对象的工厂，不需要显式指定它们的类。每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。

**意图：**提供一个创建一系列相关或相互依赖对象的接口，而无需指定它们具体的类。

**主要解决：**主要解决接口选择的问题。

**何时使用：**系统的产品有多于一个的产品族，而系统只消费其中某一族的产品。

**如何解决：**在一个产品族里面，定义多个产品。

**关键代码：**在一个工厂里聚合多个同类产品。

**应用实例：**工作了，为了参加一些聚会，肯定有两套或多套衣服吧，比如说有商务装（成套，一系列具体产品）、时尚装（成套，一系列具体产品），甚至对于一个家庭来说，可能有商务女装、商务男装、时尚女装、时尚男装，这些也都是成套的，即一系列具体产品。假设一种情况（现实中是不存在的，要不然，没法进入共产主义了，但有利于说明抽象工厂模式），在您的家中，某一个衣柜（具体工厂）只能存放某一种这样的衣服（成套，一系列具体产品），每次拿这种成套的衣服时也自然要从这个衣柜中取出了。用 OOP 的思想去理解，所有的衣柜（具体工厂）都是衣柜类的（抽象工厂）某一个，而每一件成套的衣服又包括具体的上衣（某一具体产品），裤子（某一具体产品），这些具体的上衣其实也都是上衣（抽象产品），具体的裤子也都是裤子（另一个抽象产品）。

**优点：**当一个产品族中的多个对象被设计成一起工作时，它能保证客户端始终只使用同一个产品族中的对象。

**缺点：**产品族扩展非常困难，要增加一个系列的某一产品，既要在抽象的 Creator 里加代码，又要在具体的里面加代码。

使用场景： 1、QQ 换皮肤，一整套一起换。 2、生成不同操作系统的程序。

**注意事项：**产品族难扩展，产品等级易扩展。

我们将创建 Shape 和 Color 接口和实现这些接口的实体类。下一步是创建抽象工厂类 AbstractFactory。接着定义工厂类 ShapeFactory 和 ColorFactory，这两个工厂类都是扩展了 AbstractFactory。然后创建一个工厂创造器/生成器类 FactoryProducer。

AbstractFactoryPatternDemo 类使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory 对象。它将向 AbstractFactory 传递形状信息 Shape（CIRCLE / RECTANGLE / SQUARE），以便获取它所需对象的类型。同时它还向 AbstractFactory 传递颜色信息 Color（RED / GREEN / BLUE），以便获取它所需对象的类型。

public interface Shape {
    void draw();
}

public class Rectangle implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Rectangle::draw() method.");
    }
}

public class Square implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Square::draw() method.");
    }
}

public class Circle implements Shape{
    @Override
    public void draw() {
        System.out.println("Inside Circle::draw() method.");
    }
}

public interface Color {
    void fill();
}

public class Red implements Color{
    @Override
    public void fill() {
        System.out.println("Inside Red::fill() method.");
    }
}

public class Green implements Color{
    @Override
    public void fill() {
        System.out.println("Inside Green::fill() method.");
    }
}

public class Blue implements Color{
    @Override
    public void fill() {
        System.out.println("Inside Blue::fill() method.");
    }
}

public abstract class AbstractFactory {
    public abstract Color getColor(String color);
    public abstract Shape getShape(String shape);
}

public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
    @Override
    public Shape getShape(String shapeType){
        if(shapeType == null){
            return null;
        }
        if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
            return new Circle();
        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
            return new Rectangle();
        } else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
            return new Square();
        }
        return null;
    }
    @Override
    public Color getColor(String color) {
        return null;
    }
}

public class ColorFactory extends AbstractFactory {
    @Override
    public Shape getShape(String shapeType){
        return null;
    }
    @Override
    public Color getColor(String color) {
        if(color == null){
            return null;
        }
        if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
            return new Red();
        } else if(color.equalsIgnoreCase("GREEN")){
            return new Green();
        } else if(color.equalsIgnoreCase("BLUE")){
            return new Blue();
        }
        return null;
    }
}

public class FactoryProducer {
    public static AbstractFactory getFactory(String choice){
        if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
            return new ShapeFactory();
        } else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
            return new ColorFactory();
        }
        return null;
    }
}

public class AbstractFactoryPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //获取形状工厂
        AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");

        //获取形状为 Circle 的对象
        Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");

        //调用 Circle 的 draw 方法
        shape1.draw();//Inside Circle::draw() method.

        //获取形状为 Rectangle 的对象
        Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");

        //调用 Rectangle 的 draw 方法
        shape2.draw();//Inside Rectangle::draw() method.

        //获取形状为 Square 的对象
        Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");

        //调用 Square 的 draw 方法
        shape3.draw();//Inside Square::draw() method.

        //获取颜色工厂
        AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");

        //获取颜色为 Red 的对象
        Color color1 = colorFactory.getColor("RED");

        //调用 Red 的 fill 方法
        color1.fill();//Inside Red::fill() method.

        //获取颜色为 Green 的对象
        Color color2 = colorFactory.getColor("GREEN");

        //调用 Green 的 fill 方法
        color2.fill();//Inside Green::fill() method.

        //获取颜色为 Blue 的对象
        Color color3 = colorFactory.getColor("BLUE");

        //调用 Blue 的 fill 方法
        color3.fill();//Inside Blue::fill() method.
    }
}

单例模式

单例模式（Singleton Pattern）是 Java 中最简单的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。

这种模式涉及到一个单一的类，该类负责创建自己的对象，同时确保只有单个对象被创建。这个类提供了一种访问其唯一的对象的方式，可以直接访问，不需要实例化该类的对象。

注意：

• 1、单例类只能有一个实例。
• 2、单例类必须自己创建自己的唯一实例。
• 3、单例类必须给所有其他对象提供这一实例。

**意图：**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。

**主要解决：**一个全局使用的类频繁地创建与销毁。

**何时使用：**当您想控制实例数目，节省系统资源的时候。

**如何解决：**判断系统是否已经有这个单例，如果有则返回，如果没有则创建。

**关键代码：**构造函数是私有的。

应用实例：

• 1、一个班级只有一个班主任。
• 2、Windows 是多进程多线程的，在操作一个文件的时候，就不可避免地出现多个进程或线程同时操作一个文件的现象，所以所有文件的处理必须通过唯一的实例来进行。
• 3、一些设备管理器常常设计为单例模式，比如一个电脑有两台打印机，在输出的时候就要处理不能两台打印机打印同一个文件。

优点：

• 1、在内存里只有一个实例，减少了内存的开销，尤其是频繁的创建和销毁实例（比如管理学院首页页面缓存）。
• 2、避免对资源的多重占用（比如写文件操作）。

**缺点：**没有接口，不能继承，与单一职责原则冲突，一个类应该只关心内部逻辑，而不关心外面怎么样来实例化。

使用场景：

• 1、要求生产唯一序列号。
• 2、WEB 中的计数器，不用每次刷新都在数据库里加一次，用单例先缓存起来。
• 3、创建的一个对象需要消耗的资源过多，比如 I/O 与数据库的连接等。

**注意事项：**getInstance() 方法中需要使用同步锁 synchronized (Singleton.class) 防止多线程同时进入造成 instance 被多次实例化。

我们将创建一个 SingleObject 类。SingleObject 类有它的私有构造函数和本身的一个静态实例。

SingleObject 类提供了一个静态方法，供外界获取它的静态实例。SingletonPatternDemo 类使用 SingleObject 类来获取 SingleObject 对象。

public class SingleObject {
    //创建 SingleObject 的一个对象
    private static SingleObject instance = new SingleObject();

    //让构造函数为 private，这样该类就不会被实例化
    private SingleObject(){}

    //获取唯一可用的对象
    public static SingleObject getInstance(){
        return instance;
    }

    public void showMessage(){
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

public class SingletonPatternDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //不合法的构造函数
        //编译时错误：构造函数 SingleObject() 是不可见的
        //SingleObject object = new SingleObject();

        //获取唯一可用的对象
        SingleObject object = SingleObject.getInstance();

        //显示消息
        object.showMessage();//Hello World!
    }
}

懒汉式

线程不安全

/**
 * 懒汉式：在需要用到该对象的时候才去进行初始化。
 * 线程不安全
 * 这种方式是最基本的实现方式，这种实现最大的问题就是不支持多线程。
 * 因为没有加锁 synchronized，所以严格意义上它并不算单例模式。
 * 这种方式 lazy loading 很明显，不要求线程安全，在多线程不能正常工作。
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}

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

Time	Thread A	Thread B
1	调用 getInstance，此时 instance 为 null
2		调用 getInstance，此时 instance 为 null
3	创建 Singleton 对象 instanceA 并返回
4		创建 Singleton 对象 instanceB 并返回

此时 instance 对象被实例化了两次，不符合单例模式的初衷。

线程安全

/**
 * 多线程安全
 * 这种方式具备很好的 lazy loading，能够在多线程中很好的工作，但是，效率很低，99% 情况下不需要同步。
 * 优点：第一次调用才初始化，避免内存浪费。
 * 缺点：必须加锁 synchronized 才能保证单例，但加锁会影响效率。
 * getInstance() 的性能对应用程序不是很关键（该方法使用不太频繁）。
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance;
    private Singleton (){}
    public static synchronized Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            instance = new Singleton();
        }
        return instance;
    }
}

饿汉式

它基于 classloader 机制避免了多线程的同步问题，不过，instance 在类装载时就实例化，虽然导致类装载的原因有很多种，在单例模式中大多数都是调用 getInstance 方法， 但是也不能确定有其他的方式（或者其他的静态方法）导致类装载，这时候初始化 instance 显然没有达到 lazy loading 的效果。

/**
 * 饿汉式：在类加载的时候就创建并初始化单例对象
 * 多线程安全。这种方式比较常用，但容易产生垃圾对象。
 * 优点：没有加锁，执行效率会提高。
 * 缺点：类加载时就初始化，浪费内存。
 */
public class Singleton {
    private static Singleton instance = new Singleton();
    private Singleton (){}
    public static Singleton getInstance() {
        return instance;
    }
}

双重校验锁

我们将加锁的位置后移，在检查变量是否已经初始化的时候不加锁，在变量未被初始化，需要去初始化的时候才加锁；这样子后续调用 getInstance 方法或取 instance 对象时不需要再加锁，减少了性能消耗。

为什么要对 instance 进行两次空检测：可能存在多个线程同时通过了第一次空检测的情况，此时其中一个线程获得锁并初始化对象成功，那么第二次空检测可以避免其它通过第一次检测的线程重复初始化对象。

/**
 * 双检锁/双重校验锁（DCL，即 double-checked locking）特点：懒汉模式，只有使用时，才进行创建。
 * 多线程安全
 * 这种方式采用双锁机制，安全且在多线程情况下能保持高性能。
 * volatile 关键字来避免指令重排序。
 */
public class Singleton {
    private volatile static Singleton singleton;
    private Singleton (){}
    public static Singleton getSingleton() {
        if (singleton == null) { //第一次空检测
            synchronized (Singleton.class) {
                if (singleton == null) { //第二次空检测
                    singleton = new Singleton();//实例化对象
                }
            }
        }
        return singleton;
    }
}

静态内部类

Java 加载外部类的时候，不会创建内部类的实例，只有在外部类使用到内部类的时候才会创建内部类实例。

/**
 * 多线程安全
 */
public class Singleton {
    private static class SingletonHolder {
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    private Singleton (){}
    public static final Singleton getInstance() {
        return SingletonHolder.INSTANCE;
    }
}

枚举

/**
 * 枚举的特性：全局唯一
 * 多线程安全
 */
public enum Singleton {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod() {}
}

建造者模式

原型模式