设计模式 Java语言.docx

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设计模式Java语言

设计模式（DesignPatterns）

                                 ——可复用面向对象软件的基础

设计模式（Designpattern）是一套被反复使用、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可重用代码、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。

项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式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，这也是它能被广泛应用的原因。

本章系Java之美[从菜鸟到高手演变]系列之设计模式，我们会以理论与实践相结合的方式来进行本章的学习，希望广大程序爱好者，学好设计模式，做一个优秀的软件工程师！

一、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：

工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：

适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：

策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

其实还有两类：

并发型模式和线程池模式。

用一个图片来整体描述一下：

二、设计模式的六大原则

1、开闭原则（OpenClosePrinciple）

开闭原则就是说对扩展开放，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。

所以一句话概括就是：

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，后面的具体设计中我们会提到这点。

2、里氏代换原则（LiskovSubstitutionPrinciple）

里氏代换原则（LiskovSubstitutionPrincipleLSP）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，只有当衍生类可以替换掉基类，软件单位的功能不受到影响时，基类才能真正被复用，而衍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。

——FromBaidu百科

3、依赖倒转原则（DependenceInversionPrinciple）

这个是开闭原则的基础，具体内容：

真对接口编程，依赖于抽象而不依赖于具体。

4、接口隔离原则（InterfaceSegregationPrinciple）

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。

还是一个降低类之间的耦合度的意思，从这儿我们看出，其实设计模式就是一个软件的设计思想，从大型软件架构出发，为了升级和维护方便。

所以上文中多次出现：

降低依赖，降低耦合。

5、迪米特法则（最少知道原则）（DemeterPrinciple）

为什么叫最少知道原则，就是说：

一个实体应当尽量少的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（CompositeReusePrinciple）

原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。

三、Java的23中设计模式

从这一块开始，我们详细介绍Java中23种设计模式的概念，应用场景等情况，并结合他们的特点及设计模式的原则进行分析。

1、工厂方法模式（FactoryMethod）

工厂方法模式分为三种：

11、普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。

首先看下关系图：

举例如下：

（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

[java] viewplaincopy

1.public interface Sender {  

2.    public void Send（）;  

3.}  

其次，创建实现类：

[java] viewplaincopy

1.public class MailSender implements Sender {  

2.    @Override  

3.    public void Send（） {  

4.        System.out.println（"this is mailsender!

"）;  

5.    }  

6.}  

[java] viewplaincopy

1.public class SmsSender implements Sender {  

2.  

3.    @Override  

4.    public void Send（） {  

5.        System.out.println（"this is sms sender!

"）;  

6.    }  

7.}  

最后，建工厂类：

[java] viewplaincopy

1.public class SendFactory {  

2.  

3.    public Sender produce（String type） {  

4.        if （"mail".equals（type）） {  

5.            return new MailSender（）;  

6.        } else if （"sms".equals（type）） {  

7.            return new SmsSender（）;  

8.        } else {  

9.            System.out.println（"请输入正确的类型!

"）;  

10.            return null;  

11.        }  

12.    }  

13.}  

我们来测试下：

1.public class FactoryTest {  

2.  

3.    public static void main（String[] args） {  

4.        SendFactory factory = new SendFactory（）;  

5.        Sender sender = factory.produce（"sms"）;  

6.        sender.Send（）;  

7.    }  

8.}  

输出：

thisissmssender!

22、多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。

关系图：

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

[java] viewplaincopypublic class SendFactory { 

  public Sender produceMail（）{ 

1.        return new MailSender（）;  

2.    }  

3.      

4.    public Sender produceSms（）{  

5.        return new SmsSender（）;  

6.    }  

7.}  

测试类如下：

[java] viewplaincopy

1.public class FactoryTest {  

2.  

3.    public static void main（String[] args） {  

4.        SendFactory factory = new SendFactory（）;  

5.        Sender sender = factory.produceMail（）;  

6.        sender.Send（）;  

7.    }  

8.}  

输出：

thisismailsender!

33、静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

[java] viewplaincopy

1.public class SendFactory {  

2.      

3.    public static Sender produceMail（）{  

4.        return new MailSender（）;  

5.    }  

6.      

7.    public static Sender produceSms（）{  

8.        return new SmsSender（）;  

9.    }  

10.}  

[java] viewplaincopy

1.public class FactoryTest {  

2.  

3.    public static void main（String[] args） {      

4.        Sender sender = SendFactory.produceMail（）;  

5.        sender.Send（）;  

6.    }  

7.}  

输出：

thisismailsender!

总体来说，工厂模式适合：

凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。

在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

2、抽象工厂模式（AbstractFactory）

工厂方法模式有一个问题就是，类的创建依赖工厂类，也就是说，如果想要拓展程序，必须对工厂类进行修改，这违背了闭包原则，所以，从设计角度考虑，有一定的问题，如何解决？

就用到抽象工厂模式，创建多个工厂类，这样一旦需要增加新的功能，直接增加新的工厂类就可以了，不需要修改之前的代码。

因为抽象工厂不太好理解，我们先看看图，然后就和代码，就比较容易理解。

请看例子：

[java] viewplaincopy

1.public interface Sender {  

2.    public void Send（）;  

3.}  

两个实现类：

[java] viewplaincopy

1.public class MailSender implements Sender {  

2.    @Override  

3.    public void Send（） {  

4.        System.out.println（"this is mailsender!

"）;  

5.    }  

6.}  

[java] viewplaincopy

1.public class SmsSender implements Sender {  

2.  

3.    @Override  

4.    public void Send（） {  

5.        System.out.println（"this is sms sender!

"）;  

6.    }  

7.}  

两个工厂类：

[java] viewplaincopy

1.public class SendMailFactory implements Provider {  

2.      

3.    @Override  

4.    public Sender produce（）{  

5.        return new MailSender（）;  

6.    }  

7.}  

[java] viewplaincopy

1.public class SendSmsFactory implements Provider{  

2.  

3.    @Override  

4.    public Sender produce（） {  

5.        return new SmsSender（）;  

6.    }  

7.}  

在提供一个接口：

[java] viewplaincopy

1.public interface Provider {  

2.    public Sender produce（）;  

3.}  

测试类：

[java] viewplaincopy

1.public class Test {  

2.  

3.    public static void main（String[] args） {  

4.        Provider provider = new SendMailFactory（）;  

5.        Sender sender = provider.produce（）;  

6.        sender.Send（）;  

7.    }  

8.}  

其实这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：

发及时信息，则只需做一个实现类，实现Sender接口，同时做一个工厂类，实现Provider接口，就OK了，无需去改动现成的代码。

这样做，拓展性较好！

3、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。

在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。

这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。

（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

[java] viewplaincopy

1.public class Singleton {  

2.  

3.    /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  

4.    private static Singleton instance = null;  

5.  

6.    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  

7.    private Singleton（） {  

8.    }  

9.  

10.    /* 静态工程方法，创建实例 */  

11.    public static Singleton getInstance（） {  

12.        if （instance == null） {  

13.            instance = new Singleton（）;  

14.        }  

15.        return instance;  

16.    }  

17.  

18.    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  

19.    public Object readResolve（） {  

20.        return instance;  

21.    }  

22.}  

这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？

我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

[java] viewplaincopy

1.public static synchronized Singleton getInstance（） {  

2.        if （instance == null） {  

3.            instance = new Singleton（）;  

4.        }  

5.        return instance;  

6.    }  

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance（），都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。

我们改成下面这个：

[java] viewplaincopy

1.public static Singleton getInstance（） {  

2.        if （instance == null） {  

3.            synchronized （instance） {  

4.                if （instance == null） {  

5.                    instance = new Singleton（）;  

6.                }  

7.            }  

8.        }  

9.        return instance;  

10.    }  

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。

但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：

在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance=newSingleton（）;语句是分两步执行的。

但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。

这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance=newSingleton（）;

c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。

我们对该程序做进一步优化：

[java] viewplaincopy

1.private static class SingletonFactory{           

2.        private static Singleton instance = new Singleton（）;           

3.    }           

4.    public static Singleton getInstance（）{           

5.        return SingletonFactory.instance;           

6.    }   

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。

这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。

同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。

这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

[java] viewplaincopy

1.public class Singleton {  

2.  

3.    /* 私有构造方法，防止被实例化 */  

4.    private Singleton（） {  

5.    }  

6.  

7.    /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  

8.    private static class SingletonFactory {  

9.        private static Singleton instance = new Singleton（）;  

10.    }  

11.  

12.    /* 获取实例 */  

13.    public static Singleton getInstance（） {  

14.        return SingletonFactory.instance;  

15.    }  

16.  

17.    /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  

18.    public Object readResolve（） {  

19.        return getInstance（）;  

20.    }  

21.}  

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。

所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。

也有人这样实现：

因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance（）分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

[java] viewplaincopy

1.public class SingletonTest {  

2.  

3.    private static SingletonTest instance = null;  

4.  

5.    private SingletonTest（） {  

6.    }  

7.  

8.    private static synchronized void syncInit（） {  

9.        if （instance == null） {  

10.            instance = new SingletonTest（）;  

11.        }  

12.    }