【廖雪峰官方网站/Java教程】设计模式（一）

0.概述.设计模式的基本概念及原则

设计模式，即Design Patterns，是指在软件设计中，被反复使用的一种代码设计经验。使用设计模式的目的是为了可重用代码，提高代码的可扩展性和可维护性。
为什么要使用设计模式？根本原因还是软件开发要实现可维护、可扩展，就必须尽量复用代码，并且降低代码的耦合度。设计模式主要是基于OOP编程提炼的，它基于以下几个原则：

0.1.开闭原则

由Bertrand Meyer提出的开闭原则（Open Closed Principle）是指，软件应该对扩展开放，而对修改关闭。这里的意思是在增加新功能的时候，能不改代码就尽量不要改，如果只增加代码就完成了新功能，那是最好的。

0.2.里氏替换原则

里氏替换原则是Barbara Liskov提出的，这是一种面向对象的设计原则，即如果我们调用一个父类的方法可以成功，那么替换成子类调用也应该完全可以运行。
设计模式把一些常用的设计思想提炼出一个个模式，然后给每个模式命名，这样在使用的时候更方便交流。GoF把23个常用模式分为创建型模式、结构型模式和行为型模式三类，我们后续会一一讲解。
学习设计模式，关键是学习设计思想，不能简单地生搬硬套，也不能为了使用设计模式而过度设计，要合理平衡设计的复杂度和灵活性，并意识到设计模式也并不是万能的。

1.创建型模式

创建型模式关注点是如何创建对象，其核心思想是要把对象的创建和使用相分离，这样使得两者能相对独立地变换。
创建型模式包括：

1. 工厂方法：Factory Method
2. 抽象工厂：Abstract Factory
3. 建造者：Builder
4. 原型：Prototype
5. 单例：Singleton

1.1.工厂方法

1.1.1.工厂方法介绍

说明：定义一个用于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。Factory Method使一个类的实例化延迟到其子类。
工厂方法即Factory Method，是一种对象创建型模式。
工厂方法的目的是使得创建对象和使用对象是分离的，并且客户端总是引用抽象工厂和抽象产品：

我们以具体的例子来说：假设我们希望实现一个解析字符串到Number的Factory，可以定义如下：

public interface NumberFactory {
    Number parse(String s);
}

有了工厂接口，再编写一个工厂的实现类：

public class NumberFactoryImpl implements NumberFactory {
    public Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

而产品接口是Number，NumberFactoryImpl返回的实际产品是BigDecimal。
那么客户端如何创建NumberFactoryImpl呢？通常我们会在接口Factory中定义一个静态方法getFactory()来返回真正的子类：

public interface NumberFactory {
    // 创建方法:
    Number parse(String s);

    // 获取工厂实例:
    static NumberFactory getFactory() {
        return impl;
    }

    static NumberFactory impl = new NumberFactoryImpl();
}

在客户端中，我们只需要和工厂接口NumberFactory以及抽象产品Number打交道：

NumberFactory factory = NumberFactory.getFactory();
Number result = factory.parse("123.456");

调用方可以完全忽略真正的工厂NumberFactoryImpl和实际的产品BigDecimal，这样做的好处是允许创建产品的代码独立地变换，而不会影响到调用方。

1.1.2.静态工厂方法(Static Factory Method)

有的童鞋会问：一个简单的parse()需要写这么复杂的工厂吗？实际上大多数情况下我们并不需要抽象工厂，而是通过静态方法直接返回产品，即：

public class NumberFactory {
    public static Number parse(String s) {
        return new BigDecimal(s);
    }
}

这种简化的使用静态方法创建产品的方式称为静态工厂方法（Static Factory Method）。静态工厂方法广泛地应用在Java标准库中。例如：

Integer n = Integer.valueOf(100);

Integer既是产品又是静态工厂。它提供了静态方法valueOf()来创建Integer。那么这种方式和直接写new Integer(100)有何区别呢？我们观察valueOf()方法：

public final class Integer {
    public static Integer valueOf(int i) {
        if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
            return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
        return new Integer(i);
    }
    ...
}

它的好处在于，valueOf()内部可能会使用new创建一个新的Integer实例，但也可能直接返回一个缓存的Integer实例。对于调用方来说，没必要知道Integer创建的细节。
工厂方法可以隐藏创建产品的细节，且不一定每次都会真正创建产品，完全可以返回缓存的产品，从而提升速度并减少内存消耗。
如果调用方直接使用Integer n = new Integer(100)，那么就失去了使用缓存优化的可能性。
我们经常使用的另一个静态工厂方法是List.of()：

List<String> list = List.of("A", "B", "C");

这个静态工厂方法接收可变参数，然后返回List接口。需要注意的是，调用方获取的产品总是List接口，而且并不关心它的实际类型。即使调用方知道List产品的实际类型是java.util.ImmutableCollections$ListN，也不要去强制转型为子类，因为静态工厂方法List.of()保证返回List，但也完全可以修改为返回java.util.ArrayList。这就是里氏替换原则：返回实现接口的任意子类都可以满足该方法的要求，且不影响调用方。
总是引用接口而非实现类，能允许变换子类而不影响调用方，即尽可能面向抽象编程。
和List.of()类似，我们使用MessageDigest时，为了创建某个摘要算法，总是使用静态工厂方法getInstance(String)：

MessageDigest md5 = MessageDigest.getInstance("MD5");
MessageDigest sha1 = MessageDigest.getInstance("SHA-1");

调用方通过产品名称获得产品实例，不但调用简单，而且获得的引用仍然是MessageDigest这个抽象类。

1.1.3.小结

1. 工厂方法是指定义工厂接口和产品接口，但如何创建实际工厂和实际产品被推迟到子类实现，从而使调用方只和抽象工厂与抽象产品打交道；
2. 实际更常用的是更简单的静态工厂方法，它允许工厂内部对创建产品进行优化；
3. 调用方尽量持有接口或抽象类，避免持有具体类型的子类，以便工厂方法能随时切换不同的子类返回，却不影响调用方代码。

2.抽象工厂

2.1.概念

说明：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。
抽象工厂模式（Abstract Factory）是一个比较复杂的创建型模式。
抽象工厂模式和工厂方法不太一样，它要解决的问题比较复杂，不但工厂是抽象的，产品是抽象的，而且有多个产品需要创建，因此，这个抽象工厂会对应到多个实际工厂，每个实际工厂负责创建多个实际产品：

2.2.例子

这种模式有点类似于多个供应商负责提供一系列类型的产品。我们举个例子：
假设我们希望为用户提供一个Markdown文本转换为HTML和Word的服务，它的接口定义如下：

public interface AbstractFactory {
    // 创建Html文档:
    HtmlDocument createHtml(String md);
    // 创建Word文档:
    WordDocument createWord(String md);
}

注意到上面的抽象工厂仅仅是一个接口，没有任何代码。同样的，因为HtmlDocument和WordDocument都比较复杂，现在我们并不知道如何实现它们，所以只有接口：

// Html文档接口:
public interface HtmlDocument {
    String toHtml();
    void save(Path path) throws IOException;
}

// Word文档接口:
public interface WordDocument {
    void save(Path path) throws IOException;
}

这样，我们就定义好了抽象工厂（AbstractFactory）以及两个抽象产品（HtmlDocument和WordDocument）。因为实现它们比较困难，我们决定让供应商来完成。
现在市场上有两家供应商：FastDoc Soft的产品便宜，并且转换速度快，而GoodDoc Soft的产品贵，但转换效果好。我们决定同时使用这两家供应商的产品，以便给免费用户和付费用户提供不同的服务。
我们先看看FastDoc Soft的产品是如何实现的。首先，FastDoc Soft必须要有实际的产品，即FastHtmlDocument和FastWordDocument：

public class FastHtmlDocument implements HtmlDocument {
    public String toHtml() {
        ...
    }
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

public class FastWordDocument implements WordDocument {
    public void save(Path path) throws IOException {
        ...
    }
}

然后，FastDoc Soft必须提供一个实际的工厂来生产这两种产品，即FastFactory：

public class FastFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new FastHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new FastWordDocument(md);
    }
}

这样，我们就可以使用FastDoc Soft的服务了。客户端编写代码如下：

// 创建AbstractFactory，实际类型是FastFactory:
AbstractFactory factory = new FastFactory();
// 生成Html文档:
HtmlDocument html = factory.createHtml("#Hello\nHello, world!");
html.save(Paths.get(".", "fast.html"));
// 生成Word文档:
WordDocument word = fastFactory.createWord("#Hello\nHello, world!");
word.save(Paths.get(".", "fast.doc"));

如果我们要同时使用GoodDoc Soft的服务怎么办？因为用了抽象工厂模式，GoodDoc Soft只需要根据我们定义的抽象工厂和抽象产品接口，实现自己的实际工厂和实际产品即可：

// 实际工厂:
public class GoodFactory implements AbstractFactory {
    public HtmlDocument createHtml(String md) {
        return new GoodHtmlDocument(md);
    }
    public WordDocument createWord(String md) {
        return new GoodWordDocument(md);
    }
}

// 实际产品:
public class GoodHtmlDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

public class GoodWordDocument implements HtmlDocument {
    ...
}

客户端要使用GoodDoc Soft的服务，只需要把原来的new FastFactory()切换为new GoodFactory()即可。
注意到客户端代码除了通过new创建了FastFactory或GoodFactory外，其余代码只引用了产品接口，并未引用任何实际产品（例如，FastHtmlDocument），如果把创建工厂的代码放到AbstractFactory中，就可以连实际工厂也屏蔽了：

public interface AbstractFactory {
    public static AbstractFactory createFactory(String name) {
        if (name.equalsIgnoreCase("fast")) {
            return new FastFactory();
        } else if (name.equalsIgnoreCase("good")) {
            return new GoodFactory();
        } else {
            throw new IllegalArgumentException("Invalid factory name");
        }
    }
}

2.3.小结

1. 抽象工厂模式是为了让创建工厂和一组产品与使用相分离，并可以随时切换到另一个工厂以及另一组产品；
2. 抽象工厂模式实现的关键点是定义工厂接口和产品接口，但如何实现工厂与产品本身需要留给具体的子类实现，客户端只和抽象工厂与抽象产品打交道。

3.生成器

概念：将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
生成器模式（Builder）是使用多个“小型”工厂来最终创建出一个完整对象。
当我们使用Builder的时候，一般来说，是因为创建这个对象的步骤比较多，每个步骤都需要一个零部件，最终组合成一个完整的对象。

3.1.builder模式例子

我们仍然以Markdown转HTML为例，因为直接编写一个完整的转换器比较困难，但如果针对类似下面的一行文本：

# this is a heading

转换成HTML就很简单：

<h1>this is a heading</h1>

因此，我们把Markdown转HTML看作一行一行的转换，每一行根据语法，使用不同的转换器：

1. 如果以#开头，使用HeadingBuilder转换；
2. 如果以>开头，使用QuoteBuilder转换；
3. 如果以- - -开头，使用HrBuilder转换；
4. 其余使用ParagraphBuilder转换。

这个HtmlBuilder写出来如下：

public class HtmlBuilder {
    private HeadingBuilder headingBuilder = new HeadingBuilder();
    private HrBuilder hrBuilder = new HrBuilder();
    private ParagraphBuilder paragraphBuilder = new ParagraphBuilder();
    private QuoteBuilder quoteBuilder = new QuoteBuilder();

    public String toHtml(String markdown) {
        StringBuilder buffer = new StringBuilder();
        markdown.lines().forEach(line -> {
            if (line.startsWith("#")) {
                buffer.append(headingBuilder.buildHeading(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith(">")) {
                buffer.append(quoteBuilder.buildQuote(line)).append('\n');
            } else if (line.startsWith("---")) {
                buffer.append(hrBuilder.buildHr(line)).append('\n');
            } else {
                buffer.append(paragraphBuilder.buildParagraph(line)).append('\n');
            }
        });
        return buffer.toString();
    }
}

注意观察上述代码，HtmlBuilder并不是一次性把整个Markdown转换为HTML，而是一行一行转换，并且，它自己并不会将某一行转换为特定的HTML，而是根据特性把每一行都“委托”给一个XxxBuilder去转换，最后，把所有转换的结果组合起来，返回给客户端。
这样一来，我们只需要针对每一种类型编写不同的Builder。例如，针对以#开头的行，需要HeadingBuilder：

public class HeadingBuilder {
    public String buildHeading(String line) {
        int n = 0;
        while (line.charAt(0) == '#') {
            n++;
            line = line.substring(1);
        }
        return String.format("%s", n, line.strip(), n);
    }
}

注意：实际解析Markdown是带有状态的，即下一行的语义可能与上一行相关。这里我们简化了语法，把每一行视为可以独立转换。
可见，使用Builder模式时，适用于创建的对象比较复杂，最好一步一步创建出“零件”，最后再装配起来。
JavaMail的MimeMessage就可以看作是一个Builder模式，只不过Builder和最终产品合二为一，都是MimeMessage：

Multipart multipart = new MimeMultipart();
// 添加text:
BodyPart textpart = new MimeBodyPart();
textpart.setContent(body, "text/html;charset=utf-8");
multipart.addBodyPart(textpart);
// 添加image:
BodyPart imagepart = new MimeBodyPart();
imagepart.setFileName(fileName);
imagepart.setDataHandler(new DataHandler(new ByteArrayDataSource(input, "application/octet-stream")));
multipart.addBodyPart(imagepart);

MimeMessage message = new MimeMessage(session);
// 设置发送方地址:
message.setFrom(new InternetAddress("[email protected]"));
// 设置接收方地址:
message.setRecipient(Message.RecipientType.TO, new InternetAddress("[email protected]"));
// 设置邮件主题:
message.setSubject("Hello", "UTF-8");
// 设置邮件内容为multipart:
message.setContent(multipart);

很多时候，我们可以简化Builder模式，以链式调用的方式来创建对象。例如，我们经常编写这样的代码：

StringBuilder builder = new StringBuilder();
builder.append(secure ? "https://" : "http://")
       .append("www.liaoxuefeng.com")
       .append("/")
       .append("?t=0");
String url = builder.toString();

由于我们经常需要构造URL字符串，可以使用Builder模式编写一个URLBuilder，调用方式如下：

String url = URLBuilder.builder() // 创建Builder
        .setDomain("www.liaoxuefeng.com") // 设置domain
        .setScheme("https") // 设置scheme
        .setPath("/") // 设置路径
        .setQuery(Map.of("a", "123", "q", "K&R")) // 设置query
        .build(); // 完成build

3.2.小结

Builder模式是为了创建一个复杂的对象，需要多个步骤完成创建，或者需要多个零件组装的场景，且创建过程中可以灵活调用不同的步骤或组件。

4.原型

概念：用原型实例指定创建对象的种类，并且通过拷贝这些原型创建新的对象。
原型模式，即Prototype，是指创建新对象的时候，根据现有的一个原型来创建。

4.1.原型模式例子

我们举个例子：如果我们已经有了一个String[]数组，想再创建一个一模一样的String[]数组，怎么写？
实际上创建过程很简单，就是把现有数组的元素复制到新数组。如果我们把这个创建过程封装一下，就成了原型模式。用代码实现如下：

// 原型:
String[] original = { "Apple", "Pear", "Banana" };
// 新对象:
String[] copy = Arrays.copyOf(original, original.length);

对于普通类，我们如何实现原型拷贝？Java的Object提供了一个clone()方法，它的意图就是复制一个新的对象出来，我们需要实现一个Cloneable接口来标识一个对象是“可复制”的：

public class Student implements Cloneable {
    private int id;
    private String name;
    private int score;

    // 复制新对象并返回:
    public Object clone() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

使用的时候，因为clone()的方法签名是定义在Object中，返回类型也是Object，所以要强制转型，比较麻烦：

Student std1 = new Student();
std1.setId(123);
std1.setName("Bob");
std1.setScore(88);
// 复制新对象:
Student std2 = (Student) std1.clone();
System.out.println(std1);
System.out.println(std2);
System.out.println(std1 == std2); // false

实际上，使用原型模式更好的方式是定义一个copy()方法，返回明确的类型：

public class Student {
    private int id;
    private String name;
    private int score;

    public Student copy() {
        Student std = new Student();
        std.id = this.id;
        std.name = this.name;
        std.score = this.score;
        return std;
    }
}

原型模式应用不是很广泛，因为很多实例会持有类似文件、Socket这样的资源，而这些资源是无法复制给另一个对象共享的，只有存储简单类型的“值”对象可以复制。

4.2.小结

原型模式是根据一个现有对象实例复制出一个新的实例，复制出的类型和属性与原实例相同。

5.单例

5.1.概念

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。
单例模式（Singleton）的目的是为了保证在一个进程中，某个类有且仅有一个实例。
因为这个类只有一个实例，因此，自然不能让调用方使用new Xyz()来创建实例了。所以，单例的构造方法必须是private，这样就防止了调用方自己创建实例，但是在类的内部，是可以用一个静态字段来引用唯一创建的实例的：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

那么问题来了，外部调用方如何获得这个唯一实例？
答案是提供一个静态方法，直接返回实例：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // 通过静态方法返回实例:
    public static Singleton getInstance() {
        return INSTANCE;
    }

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

或者直接把static变量暴露给外部：

public class Singleton {
    // 静态字段引用唯一实例:
    public static final Singleton INSTANCE = new Singleton();

    // private构造方法保证外部无法实例化:
    private Singleton() {
    }
}

5.2.单例模式的实现方式

1. 只有private构造方法，确保外部无法实例化；
2. 通过private static变量持有唯一实例，保证全局唯一性；
3. 通过public static方法返回此唯一实例，使外部调用方能获取到实例。

Java标准库有一些类就是单例，例如Runtime这个类：

Runtime runtime = Runtime.getRuntime();

有些童鞋可能听说过延迟加载，即在调用方第一次调用getInstance()时才初始化全局唯一实例，类似这样：

public class Singleton {
    private static Singleton INSTANCE = null;

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

    private Singleton() {
    }
}

遗憾的是，这种写法在多线程中是错误的，在竞争条件下会创建出多个实例。必须对整个方法进行加锁：

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

但加锁会严重影响并发性能。还有些童鞋听说过双重检查，类似这样：

public static Singleton getInstance() {
    if (INSTANCE == null) {
        synchronized (Singleton.class) {
            if (INSTANCE == null) {
                INSTANCE = new Singleton();
            }
        }
    }
    return INSTANCE;
}

然而，由于Java的内存模型，双重检查在这里不成立。要真正实现延迟加载，只能通过Java的ClassLoader机制完成。如果没有特殊的需求，使用Singleton模式的时候，最好不要延迟加载，这样会使代码更简单。
另一种实现Singleton的方式是利用Java的enum，因为Java保证枚举类的每个枚举都是单例，所以我们只需要编写一个只有一个枚举的类即可：

public enum World {
    // 唯一枚举:
	INSTANCE;

	private String name = "world";

	public String getName() {
		return this.name;
	}

	public void setName(String name) {
		this.name = name;
	}
}

枚举类也完全可以像其他类那样定义自己的字段、方法，这样上面这个World类在调用方看来就可以这么用：

String name = World.INSTANCE.getName();

使用枚举实现Singleton还避免了第一种方式实现Singleton的一个潜在问题：即序列化和反序列化会绕过普通类的private构造方法从而创建出多个实例，而枚举类就没有这个问题。
那我们什么时候应该用Singleton呢？实际上，很多程序，尤其是Web程序，大部分服务类都应该被视作Singleton，如果全部按Singleton的写法写，会非常麻烦，所以，通常是通过约定让框架（例如Spring）来实例化这些类，保证只有一个实例，调用方自觉通过框架获取实例而不是new操作符：

@Component // 表示一个单例组件
public class MyService {
    ...
}

因此，除非确有必要，否则Singleton模式一般以“约定”为主，不会刻意实现它。

5.3.小结

1. Singleton模式是为了保证一个程序的运行期间，某个类有且只有一个全局唯一实例；
2. Singleton模式既可以严格实现，也可以以约定的方式把普通类视作单例。