设计模式（一）之创建型模式
概述
设计模式（Design pattern）是一套被反复使用的、多数人知晓的、经过分类编码的、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，设计模式使代码编写真正工程化，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，每种模式在现实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。
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：
设计模式的六大原则
1、开闭原则（Open Close Principle）
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（Liskov Substitution Principle）
里氏代换原则(Liskov Substitution Principle LSP)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。—— From Baidu 百科- 3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
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（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。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）（Demeter Principle）
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（Composite Reuse Principle）
原则是尽量使用合成/聚合的方式，而不是使用继承。
创建型模式
工厂方法模式（Factory Method）
工厂方法模式分为三种：普通工厂模式、多个工厂方法模式、静态工厂方法模式。
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：
public interface Sender {
public void Send();
} 其次，创建实现类：
public class MailSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("this is mail sender!");
}
} public class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("this is sms sender!");
}
} 最后，建工厂类：
public class SendFactory {
public Sender produce(String type) {
if ("mail".equals(type)) {
return new MailSender();
} else if ("sms".equals(type)) {
return new SmsSender();
} else {
System.out.println("请输入正确的类型!");
return null;
}
}
} 我们来测试下：
public class FactoryTest {
public static void main(String[] args) {
SendFactory factory = new SendFactory();
Sender sender = factory.produce("sms");
sender.Send();
}
} 输出：this is sms sender!
多个工厂方法模式
是对普通工厂模式的改进，在普通工厂模式中，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：
public class SendFactory {
public Sender produceMail(){
return new MailSender();
}
public Sender produceSms(){
return new SmsSender();
}
} 测试类如下：
public class FactoryTest {
public static void main(String[] args) {
SendFactory factory = new SendFactory();
Sender sender = factory.produceMail();
sender.Send();
}
} 输出：this is mail sender!
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。
public class SendFactory {
public static Sender produceMail(){
return new MailSender();
}
public static Sender produceSms(){
return new SmsSender();
}
} 测试代码：
public class FactoryTest {
public static void main(String[] args) {
Sender sender = SendFactory.produceMail();
sender.Send();
}
} 输出：this is mail sender!
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。
抽象工厂模式（Abstract Factory）
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，然后再看代码，就比较容易理解。
请看例子，创建发送接口：
public interface Sender {
public void Send();
} 两个实现类：
public class MailSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("this is mail sender!");
}
} public class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("this is sms sender!");
}
} 再提供一个抽象工厂接口：
public interface Provider {
public Sender produce();
} 两个工厂类：
public class SendMailFactory implements Provider {
@Override
public Sender produce(){
return new MailSender();
}
} public class SendSmsFactory implements Provider{
@Override
public Sender produce() {
return new SmsSender();
}
} 测试类：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Provider provider = new SendMailFactory();
Sender sender = provider.produce();
sender.Send();
}
} 输出：this is mail sender!
这个模式的好处就是，如果你现在想增加一个功能：发送语音信息，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，就可以了，无需去改动现成的代码。这样做，拓展性较好！
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。
这个模式有几个好处：
- 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。
单例模式有多种写法，各有利弊，下面我们来看看各种写法。
1. 饿汉模式
public class Singleton {
private static Singleton instance = new Singleton();
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
return instance;
}
} 这种方式在类加载时就完成了初始化，所以类加载较慢，但获取对象的速度快。 这种方式基于类加载机制避免了多线程的同步问题（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）。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显然没有达到懒加载的效果。
2. 懒汉模式（线程不安全）
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
} 懒汉模式申明了一个静态对象，在用户第一次调用时初始化，虽然节约了资源，但第一次加载时需要实例化，反映稍慢一些，而且在多线程不能正常工作。
3. 懒汉模式（线程安全）
public class Singleton {
private static Singleton instance;
private Singleton (){}
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
} 这种写法能够在多线程中很好的工作，但是每次调用getInstance方法时都需要进行同步，造成不必要的同步开销，而且大部分时候我们是用不到同步的（事实上，只有在第一次创建对象的时候需要同步），所以不建议用这种模式。
4. 双重检查模式 （DCL）
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getInstance() {
if (instance== null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (instance== null) {
instance= new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
} 这种写法在getSingleton方法中对singleton进行了两次判空，第一次是为了不必要的同步，第二次是在singleton等于null的情况下才创建实例。在这里用到了volatile关键字，volatile会或多或少的影响性能，但考虑到程序的正确性，牺牲这点性能还是值得的。
DCL优点是资源利用率高，第一次执行getInstance时单例对象才被实例化，效率高。缺点是第一次加载时反应稍慢一些，在高并发环境下也有一定的缺陷，虽然发生的概率很小。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 = new Singleton();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 = new Singleton();
- c> 由于JVM内部的优化机制，JVM先划出了一些分配给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。
5. 静态内部类单例模式
public class Singleton {
private Singleton(){}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonHolder.sInstance;
}
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton sInstance = new Singleton();
}
}第一次加载Singleton类时并不会初始化sInstance，只有第一次调用getInstance方法时虚拟机加载SingletonHolder并初始化sInstance ，这样不仅能确保线程安全也能保证Singleton类的唯一性，所以推荐使用静态内部类单例模式。
6. 枚举单例
public enum Singleton {
INSTANCE;
public void doSomeThing() {
}
} 默认枚举实例的创建是线程安全的，并且在任何情况下都是单例。枚举单例的优点就是简单，但是大部分应用开发很少用枚举，可读性并不是很高，不建议用。
上述讲的几种单例模式实现中，有一种情况下他们会重新创建对象，那就是反序列化，将一个单例实例对象写到磁盘再读回来，从而获得了一个实例。反序列化操作提供了readResolve方法，这个方法可以让开发人员控制对象的反序列化。在上述的几个方法示例中如果要杜绝单例对象被反序列化是重新生成对象，就必须加入如下方法：
/* 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 */
private Object readResolve() throws ObjectStreamException{
return singleton;
}7. 使用容器实现单例模式
public class SingletonManager {
private static Map objMap = new HashMap();
private Singleton() {}
public static void registerService(String key, Object instance) {
if (!objMap.containsKey(key) ) {
objMap.put(key, instance) ;
}
}
public static Object getService(String key) {
return objMap.get(key) ;
}
} 用SingletonManager 将多种的单例类统一管理，在使用时根据key获取对象对应类型的对象。这种方式使得我们可以管理多种类型的单例，并且在使用时可以通过统一的接口进行获取操作，降低了用户的使用成本，也对用户隐藏了具体实现，降低了耦合度。
建造者模式（Builder）
建造者模式（builder）是创建一个复杂对象的创建型模式，将构建复杂对象的过程和它的部件解耦，使得构建过程和部件的表示分离开来。
例如我们要DIY一个台式机电脑，我们找到DIY商家，我们可以要求这台电脑的cpu或者主板或者其他的部件都是什么牌子的什么配置的，这些部件是我们可以根据我们的需求来变化的，但是这些部件组装成电脑的过程是一样的，我们不需要知道这些部件是怎样组装成电脑的，我们只需要提供部件的牌子和配置就可以了。对于这种情况我们就可以采用建造者模式，将部件和组装过程分离，使得构建过程和部件都可以自由拓展，两者之间的耦合也降到最低。
- Director: 指挥者类，用于统一组装流程
- Builder：抽象Builder类，规范产品的组建，一般是由子类实现
- ConcreteBulider: 抽象Builder类的实现类，实现抽象Builder类定义的所有方法，并且返回一个组建好的对象
- Product: 产品类
我们就用DIY组装电脑的例子来实现一下建造者模式：
（1）创建产品类，我要组装一台电脑，电脑被抽象为Computer类，它有三个部件:CPU 、主板和内存。并在里面提供了三个方法分别用来设置CPU 、主板和内存：
public class Computer {
private String mCpu;
private String mMainboard;
private String mRam;
public void setmCpu(String mCpu) {
this.mCpu = mCpu;
}
public void setmMainboard(String mMainboard) {
this.mMainboard = mMainboard;
}
public void setmRam(String mRam) {
this.mRam = mRam;
}
}（2）创建Builder类，规范产品的组建，商家组装电脑有一套组装方法的模版，就是一个抽象的Builder类，里面提供了安装CPU、主板和内存的方法，以及组装成电脑的create方法：
public abstract class Builder {
public abstract void buildCpu(String cpu);
public abstract void buildMainboard(String mainboard);
public abstract void buildRam(String ram);
public abstract Computer create();
}（3）商家实现了抽象的Builder类，MyComputerBuilder类用于组装电脑：
public class MyComputerBuilder extends Builder {
private Computer mComputer = new Computer();
@Override
public void buildCpu(String cpu) {
mComputer.setmCpu(cpu);
}
@Override
public void buildMainboard(String mainboard) {
mComputer.setmMainboard(mainboard);
}
@Override
public void buildRam(String ram) {
mComputer.setmRam(ram);
}
@Override
public Computer create() {
return mComputer;
}
}（4）用Director指挥者类来统一组装过程，商家的指挥者类用来规范组装电脑的流程规范，先安装主板，再安装CPU，最后安装内存并组装成电脑：
public class Director {
Builder mBuild=null;
public Director(Builder build){
this.mBuild=build;
}
public Computer CreateComputer(String cpu,String mainboard,String ram) {
//规范建造流程
this.mBuild.buildMainboard(mainboard);
this.mBuild.buildCpu(cpu);
this.mBuild.buildRam(ram);
return mBuild.create();
}
}（5）客户端调用指挥者类，最后商家用指挥者类组装电脑。我们只需要提供我们想要的CPU，主板和内存就可以了，至于商家怎样组装的电脑我们无需知道。
public class CreatComputer {
public static void main(String[]args){
Builder mBuilder=new MyComputerBuilder();
Direcror mDirecror=new Direcror(mBuilder);
//组装电脑
mDirecror.CreateComputer("i7","华擎玩家至尊","三星DDR4");
}
}使用场景：
- 当创建复杂对象的算法应该独立于该对象的组成部分以及它们的装配方式时。
- 相同的方法，不同的执行顺序，产生不同的事件结果时。
- 多个部件或零件,都可以装配到一个对象中，但是产生的运行结果又不相同时。
- 产品类非常复杂，或者产品类中的调用顺序不同产生了不同的效能。
- 创建一些复杂的对象时，这些对象的内部组成构件间的建造顺序是稳定的，但是对象的内部组成构件面临着复杂的变化。
优缺点：
优点：
- 使用建造者模式可以使客户端不必知道产品内部组成的细节。
- 具体的建造者类之间是相互独立的，容易扩展。
- 由于具体的建造者是独立的，因此可以对建造过程逐步细化，而不对其他的模块产生任何影响。
缺点：
- 产生多余的Build对象以及Director类。
原型模式（Prototype）
原型模式虽然是创建型的模式，但是与工程模式没有关系，从名字即可看出，该模式的思想就是将一个对象作为原型，对其进行复制、克隆，产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行讲解。在Java中，复制对象是通过clone()实现的，先创建一个原型类：
public class Prototype implements Cloneable {
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
Prototype proto = (Prototype) super.clone();
return proto;
}
} 很简单，一个原型类，只需要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法可以改成任意的名称，因为Cloneable接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，因为此处的重点是super.clone()这句话，super.clone()调用的是Object的clone()方法，而在Object类中，clone()是native的。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先需要了解对象深、浅复制的概念：
- 浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会重新创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。
- 深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。
简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。接下来，写一个深浅复制的例子：
public class Prototype implements Cloneable, Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
private String string;
private SerializableObject obj;
/* 浅复制 */
public Object clone() throws CloneNotSupportedException {
Prototype proto = (Prototype) super.clone();
return proto;
}
/* 深复制 */
public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {
/* 写入当前对象的二进制流 */
ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);
oos.writeObject(this);
/* 读出二进制流产生的新对象 */
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);
return ois.readObject();
}
public String getString() {
return string;
}
public void setString(String string) {
this.string = string;
}
public SerializableObject getObj() {
return obj;
}
public void setObj(SerializableObject obj) {
this.obj = obj;
}
} class SerializableObject implements Serializable {
private static final long serialVersionUID = 1L;
}要实现深复制，需要采用流的形式读入当前对象的二进制输入，再写出二进制数据对应的对象。