[秃头之路]Java设计模式一

设计模式(Design Patterns)——可复用面向对象软件的基础

  • 一. 设计模式的分类
  • 二. 设计模式的六大原则
  • 三. Java的23种设计模式
    • **(一). 工厂方法模式**(Factory Method)
      • 1.1 **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:
      • 1.2 **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:
      • 1.3 **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。
    • **(二). 抽象工厂模式**(Abstract Factory)
    • **(三). 单例模式**(Singleton)
    • **(四). 建造者模式**(Builder)
    • **(五). 原型模式**(Prototype)

转载: http://blog.csdn.net/zhangerqing

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。

[秃头之路]Java设计模式一_第1张图片

二. 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。

解释:

Clients should not be forced to depend upon interfaces that they don’t use.
客户端不应该依赖它不需要的接口
那依赖什么呢?依赖它需要的接口,客户端需要什么接口就提供什么接口,把不需要的接口剔除,那就需要对接口进行细化,保证其纯洁性。

The dependency of one class to another one should depend on the smallest possible interface.
类间的依赖关系应该建立在最小的接口上
它要求是最小的接口,也是要求接口细化,接口纯洁。

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。

解释:
  第一,继承复用破坏包装,它把父类的实现细节直接暴露给了子类,这违背了信息隐藏的原则;
  第二:如果父类发生了改变,那么子类也要发生相应的改变,这就直接导致了类与类之间的高耦合,不利于类的扩展、复用、维护等,也带来了系统僵硬和脆弱的设计。而用合成和聚合的时候新对象和已有对象的交互往往是通过接口或者抽象类进行的,就可以很好的避免上面的不足,而且这也可以让每一个新的类专注于实现自己的任务,符合单一职责原则。

补充:

1.逻辑代码独立到单独的方法中,注重封装性–易读,易复用。

  不要在一个方法中,写下上百行的逻辑代码。把各小逻辑代码独立出来,写于其它方法中,易读其可重复调用。

2.写类,写方法,写功能时,应考虑其移植性,复用性:防止一次性代码!

  是否可以拿到其它同类事物中应该?是否可以拿到其它系统中应该?

3.熟练运用继承的思想:

  找出应用中相同之处,且不容易发生变化的东西,把它们抽取到抽象类中,让子类去继承它们;

  继承的思想,也方便将自己的逻辑建立于别人的成果之上。如ImageField extends JTextField;

  熟练运用接口的思想:找出应用中可能需要变化之处,把它们独立出来,不要和那些不需要变化的代码混在一起。

三. Java的23种设计模式

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。

(一). 工厂方法模式(Factory Method)

工厂方法模式分为三种:

1.1 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:

[秃头之路]Java设计模式一_第2张图片
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:

//共同接口 发送类
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 mailSender");
    }
}
public class SmsSender implements Sender {
    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is smsSender");
    }
}

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("输入正确的类型");
            return null;
        }
    }
}

测试一下

public class FactoryTest {
    public static void main(String[] args0){
        SendFactory sendFactory = new SendFactory();
        Sender sender = sendFactory.produce("sms");
        sender.Send();
    }
}

输出结果:

This is smsSender

1.2 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:

[秃头之路]Java设计模式一_第3张图片
修改普通工厂模式的 SendFactory类

public class SendFactory {
    public Sender produceMail(){
        return new MailSender();
    }

    public Sender produceSms(){
        return new SmsSender();
    }
}

测试类

public class FactoryTest {
    public static void main(String[] args0){
        SendFactory sendFactory = new SendFactory();
        Sender sender = sendFactory.produceMail();
        sender.Send();
    }
}

输出结果:

This is mailSender

1.3 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();
    }
}

测试类:

public class FactoryTest {
    public static void main(String[] args0){
        Sender sender = SendFactory.produceMail();
        sender.Send();
    }
}

输出结果:

This is mailSender

(二). 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,然后就和代码,就比较容易理解。
[秃头之路]Java设计模式一_第4张图片

  1. 创建一个共同接口:
public interface Sender {
    public void Send();
}

  1. 创建两个类实例化:
public class MailSender implements Sender {
    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is mailSender");
    }
}
public class SmsSender implements Sender{
    @Override
    public void Send() {
        System.out.println("This is smsSender");
    }
}
  1. 再创建一个共同的接口
public interface Provider {
    public Sender produce();
}
  1. 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();
    }
}
  1. 测试类:
public class Test {
    public static void main(String[] args){
        Provider provider = new SendMailFactory();
        Sender sender = provider.produce();
        sender.Send();
    }
}

6.输出结构

This is mailSender

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!

(三). 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。

3.1 懒汉模式 (线程不安全) [不可用]

public class Singleton_Lazybones {
    private static Singleton_Lazybones singleton_lazybones;

    private Singleton_Lazybones(){}

    public static Singleton_Lazybones getInstance(){
        if(singleton_lazybones == null){
            singleton_lazybones = new Singleton_Lazybones();
        }
        return singleton_lazybones;
    }
}

这种写法起到了Lazy Loading的效果,但是只能在单线程下使用。
如果在多线程下,一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,还未来得及往下执行,
另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。所以在多线程环境下不可使用这种方式。

3.2 懒汉模式 (线程同步,同步代码块) [不可用]

public class Singleton_Lazybones_static {
    private static Singleton_Lazybones_static singleton_lazybones_static;

    private Singleton_Lazybones_static(){}

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

  由于懒汉模式(线程同步)同步效率太低,所以摒弃同步方法,改为同步产生实例化的的代码块。但是这种同步并不能起到线程同步的作用。
  跟懒汉模式(线程不安全)实现方式遇到的情形一致,假如一个线程进入了if (singleton == null)判断语句块,
  还未来得及往下执行,另一个线程也通过了这个判断语句,这时便会产生多个实例。

3.3 懒汉模式 (线程同步) [不推荐用]

public class Singleton_Lazybones_synchronization {
    private static Singleton_Lazybones_synchronization singleton_lazybones_synchronization;
    
    private Singleton_Lazybones_synchronization(){}
    
    public static synchronized Singleton_Lazybones_synchronization getInstance(){
        if(singleton_lazybones_synchronization == null){
            singleton_lazybones_synchronization = new Singleton_Lazybones_synchronization();
        }
        return singleton_lazybones_synchronization;
    }
}

  解决上面第三种实现方式的线程不安全问题,做个线程同步就可以了,于是就对getInstance()方法进行了线程同步。
  缺点:  效率太低了,每个线程在想获得类的实例时候,执行getInstance()方法都要进行同步。
  而其实这个方法只执行一次实例化代码就够了,后面的想获得该类实例,直接return就行了。方法进行同步效率太低要改进。

3.4 饿汉模式 (静态常量) [可用]

public class Singleton_TheHungry {
    private final static Singleton_TheHungry INSTANCE = new Singleton_TheHungry();
    
    private Singleton_TheHungry(){}

    private static Singleton_TheHungry getInstance(){
        return INSTANCE;
    }
}

  优点:这种写法比较简单,就是在类装载的时候就完成实例化。避免了线程同步问题。
  缺点:在类装载的时候就完成实例化,没有达到Lazy Loading的效果。如果从始至终从未使用过这个实例,则会造成内存的浪费。

3.5 饿汉模式 (静态代码块) [可用]

public class Singleton_TheHungry_Static {
    private static Singleton_TheHungry_Static instance;

    static {
        instance = new Singleton_TheHungry_Static();
    }
    
    private Singleton_TheHungry_Static(){}
    
    public static Singleton_TheHungry_Static getInstance(){
        return instance;
    }
}

  优缺点同饿汉模式静态常量一样

3.6 静态内部类 [推荐用]

public class Singleton_Static_InnerClass {
    private Singleton_Static_InnerClass(){}

    private static class SinglentInstance{
        private static final Singleton_Static_InnerClass INSTANCE = new Singleton_Static_InnerClass();
    }

    public static Singleton_Static_InnerClass getInstance(){
        return SinglentInstance.INSTANCE;
    }
}

  这种方式跟饿汉式方式采用的机制类似,但又有不同。两者都是采用了类装载的机制来保证初始化实例时只有一个线程。
  不同的地方在饿汉式方式是只要Singleton类被装载就会实例化,没有Lazy-Loading的作用,
  而静态内部类方式在Singleton类被装载时并不会立即实例化,
  而是在需要实例化时,调用getInstance方法,才会装载SingletonInstance类,从而完成Singleton的实例化。
  类的静态属性只会在第一次加载类的时候初始化,所以在这里,JVM帮助我们保证了线程的安全性,在类进行初始化时,别的线程是无法进入的。

  优点:避免了线程不安全,延迟加载,效率高。

3.7 双重检查 [推荐用]

public class Singleton_DoubleCheck {
    private static volatile Singleton_DoubleCheck singleton_doubleCheck;
    private Singleton_DoubleCheck(){}
    private static Singleton_DoubleCheck getInstance(){
        if(singleton_doubleCheck == null){
            synchronized (Singleton_DoubleCheck.class){
                if(singleton_doubleCheck == null){
                    singleton_doubleCheck = new Singleton_DoubleCheck();
                }
            }
        }
        return singleton_doubleCheck;
    }
}

  Double-Check概念对于多线程开发者来说不会陌生,如代码中所示,我们进行了两次if (singleton==null)检查,这样就可以保证线程安全了。
  这样,实例化代码只用执行一次,后面再次访问时,判断if (singleton ==null),直接return实例化对象。/优点:线程安全;延迟加载;效率较高。

3.8 枚举 [推荐用]

public enum Singleton_Enum {
    INSTANCE;
    public void whateverMethod(){

    }
}

借助JDK1.5中添加的枚举来实现单例模式。不仅能避免多线程同步问题,而且还能防止反序列化重新创建新的对象。
可能是因为枚举在JDK1.5中才添加,所以在实际项目开发中,很少见人这么写过。
优点:
  系统内存中该类只存在一个对象,节省了系统资源,对于一些需要频繁创建销毁的对象,使用单例模式可以提高系统性能。
缺点:
  当想实例化一个单例类的时候,必须要记住使用相应的获取对象的方法,而不是使用new,可能会给其他开发人员造成困扰,特别是看不到源码的时候。

适用场合
  需要频繁的进行创建和销毁的对象;
  创建对象时耗时过多或耗费资源过多,但又经常用到的对象;
  工具类对象;
  频繁访问数据库或文件的对象。

通过单例模式的学习告诉我们:

  1、单例模式理解起来简单,但是具体实现起来还是有一定的难度。

  2、synchronized关键字锁定的是对象,在用的时候,一定要在恰当的地方使用(注意需要使用锁的对象和过程,可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁)。

  注意:

  静态类不能实现接口。(从类的角度说是可以的,但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法,所以即使实现了也是非静态的)

  其次,单例可以被延迟初始化,静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载,是因为有些类比较庞大,所以延迟加载有助于提升性能。

  再次,单例类可以被继承,他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static,无法被覆写。

  最后一点,单例类比较灵活,毕竟从实现上只是一个普通的Java类,只要满足单例的基本需求,你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能,但是静态类不行。从上面这些概括中,基本可以看出二者的区别,但是,从另一方面讲,我们上面最后实现的那个单例模式,内部就是用一个静态类来实现的,所以,二者有很大的关联,只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合,才能造就出完美的解决方案,就像HashMap采用数组+链表来实现一样,其实生活中很多事情都是这样,单用不同的方法来处理问题,总是有优点也有缺点,最完美的方法是,结合各个方法的优点,才能最好的解决问题!

(四). 建造者模式(Builder)

  工厂类模式提供的是创建单个类的模式,而建造者模式则是将各种产品集中起来进行管理,用来创建复合对象,所谓复合对象就是指某个类具有不同的属性,其实建造者模式就是前面抽象工厂模式和最后的Test结合起来得到的。我们看一下代码:

还和前面一样,一个Sender接口,两个实现类MailSender和SmsSender。最后,建造者类如下:

public class Builder {
    private List<Sender> list = new ArrayList<Sender>();

    public void produceMailSender(int count){
        for(int i = 0;i<count;i++){
            list.add(new MailSender());
        }
    }

    public void produceSmsSender(int count){
        for(int i = 0; i<count; i++){
            list.add(new SmsSender());
        }
    }
}

测试类:

public class Test {
    public static void main(String[] args){
        Builder builder = new Builder();
        builder.produceSmsSender(10);
    }
}

  从这点看出,建造者模式将很多功能集成到一个类里,这个类可以创造出比较复杂的东西。所以与工厂模式的区别就是:工厂模式关注的是创建单个产品,而建造者模式则关注创建符合对象,多个部分。因此,是选择工厂模式还是建造者模式,依实际情况而定。

(五). 原型模式(Prototype)

  原型模式虽然是创建型的模式,但是与工厂模式没有关系,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,具体怎么实现,我会在另一篇文章中,关于解读Java中本地方法的调用,此处不再深究。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。

此处,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。

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