Java设计模式详解
设计模式（Design Patterns）
——可复用面向对象软件的基础
设计模式（Design pattern）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。
一、设计模式的分类
总体来说设计模式分为下面大类：
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。
其他两类：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（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实现，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。
3、依赖倒转原则（Dependence Inversion Principle）
这个是开闭原则的基础，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。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。
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（Factory Method）
工厂方法模式分为三种：
1.1、普通工厂模式
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 mailsender!");
}
}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!
1.2、多个工厂方法模式
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：
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 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();
}
} public class FactoryTest {
public static void main(String[] args) {
Sender sender = SendFactory.produceMail();
sender.Send();
}
} 输出：this is mailsender!
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（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。
请看例子：
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 mailsender!");
}
}public class SmsSender implements Sender {
@Override
public void Send() {
System.out.println("this is sms sender!");
}
} 提供一个抽象工厂接口：
public interface Provider {
public Sender produce(); //注意：返回的是Sender接口
} 两个工厂实现类：
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();
}
} 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：
public class Singleton {
/* 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 */
private static Singleton instance = null;
/* 私有构造方法，防止被实例化 */
private Singleton() {
}
/* 静态工程方法，创建实例 */
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
/* 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 */
public Object readResolve() {
return instance;
}
} 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：
public static synchronized Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
return instance;
}
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：
public static Singleton getInstance() {
if (instance == null) {
synchronized (instance) {
if (instance == null) {
instance = new Singleton();
}
}
}
return instance;
}
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 = 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：
private static class SingletonFactory{
private static Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance(){
return SingletonFactory.instance;
}
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：
public class Singleton {
/* 私有构造方法，防止被实例化 */
private Singleton() {
}
/* 此处使用一个内部类来维护单例 */
private static class SingletonFactory {
private static Singleton instance = new Singleton();
}
/* 获取实例 */
public static Singleton getInstance() {
return SingletonFactory.instance;
}
/* 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 */
public Object readResolve() {
return getInstance();
}
} 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：
public class SingletonTest {
private static SingletonTest instance = null;
private SingletonTest() {
}
private static synchronized void syncInit() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonTest();
}
}
public static SingletonTest getInstance() {
if (instance == null) {
syncInit();
}
return instance;
}
} 考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。
补充：采用”影子实例”的办法为单例对象的属性同步更新
public class SingletonTest {
private static SingletonTest instance = null;
private Vector properties = null;
public Vector getProperties() {
return properties;
}
private SingletonTest() {
}
private static synchronized void syncInit() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonTest();
}
}
public static SingletonTest getInstance() {
if (instance == null) {
syncInit();
}
return instance;
}
public void updateProperties() {
SingletonTest shadow = new SingletonTest();
properties = shadow.getProperties();
}
} 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）。
到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？
首先，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！
4、建造者模式（Builder）
建造者模式将一个复杂对象的构建与表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
这里以建造汽车为例，同样的构建过程是指不论生产什么汽车都有建造发动机、底盘、车身这三个同的过程，不同的显示指的是我们可生产出不同级别（或品牌）的汽车，这里以奔驰和宝马为例。
首先确定汽车的构造部件：
/**
* 产品是汽车:由多个部件组成
* @author Peter
*
*/
public class Car {
private String engine; //发动机
private String body; //车身
private String chassis; //底盘
//组装发动机
public void addEngine(String engineName){
this.engine = engineName;
}
//组装车身
public void addBody(String bodyName){
this.body = bodyName;
}
//组装底盘
public void addChassis(String chassisName){
this.chassis = chassisName;
}
//省略getter、setter方法
}
抽象一个生产汽车的建造类出来，说明汽车生产需要哪些生产过程：
/**
* 抽象一个Builder类，确定所有汽车（Car）都由发动机、车身、底部组建而成
* @author Peter
*
*/
public abstract class CarBuilder {
abstract void createEngine(); //生产发动
abstract void createBody();//生产车身
abstract void createChassis();//生产底盘
abstract Car getCar();//组装后返回
}
奔驰汽车具体生产类：
/**
* 生产奔驰的各部件，并组装
* @author Peter
*
*/
public class BenciBuilder extends CarBuilder{
private Car car = new Car();
@Override
void createEngine() {
car.addEngine("奔驰发动机");
}
@Override
void createBody() {
car.addBody("奔驰车身");
}
@Override
void createChassis() {
car.addChassis("奔驰底盘");
}
@Override
Car getCar() {
return car;
}
}宝马汽车具体生产类：
/**
* 生产宝马的各部件，并组装
* @author Peter
*
*/
public class BaomaBuilder extends CarBuilder{
private Car car = new Car();
@Override
void createEngine() {
car.addEngine("宝马发动机");
}
@Override
void createBody() {
car.addBody("宝马车身");
}
@Override
void createChassis() {
car.addChassis("宝马底盘");
}
@Override
Car getCar() {
return car;
}
}
生产工人类：
/**
* 生产工人: 根据不同的汽车生产类指挥生产各部件
* @author Peter
*
*/
public class BuildPerson {
public void produce(CarBuilder builder){
builder.createBody();
builder.createChassis();
builder.createEngine();
}
}
//为什么得有这个类？
//有这个类后，我们就不必在创建如奔驰汽车时还得挨个创建发动机、底盘、车身，直接生产调用一个produce方法即可测试生产：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
//实例化工人
BuildPerson person = new BuildPerson();
//实例化奔驰建造者
BenciBuilder builder = new BenciBuilder();
//工人用奔驰建造者生产奔驰
person.produce(builder);
Car car = builder.getCar();
System.out.println(car.getEngine());
//实例化宝马生产类
BaomaBuilder b = new BaomaBuilder();
//工人用奔驰生产类生产奔驰
person.produce(b);
Car baoma = b.getCar();
System.out.println(baoma.getEngine());
}
}
结果：
奔驰发动机
宝马发动机
与工厂模式的区别就是：工厂模式关注的是创建单个产品，而建造者模式则是关注创建由多个部分组成的复合对象。因此，是选择工厂模式还是建造者模式，依实际情况而定。
5、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。
6. 适配器模式（Adapter）
适配器模式将一个类的接口转换成我们希望的另外一个接口，也就使得原本由于接口不兼容而不能一起工作的那些类可以一起工作。适配器模式主要分为三类：类的适配器模式、对象的适配器模式、接口的适配器模式，其中对象的适配器模式是多种设计模式的起源。
适用场景：
1、已经存在的类的接口不符合我们的需求；
2、创建一个可以复用的类，使得该类可以与其他不相关的类或不可预见的类（即那些接口可能不兼容的类）协同工作；即是一种补偿模式，专用来在系统后期扩展、修改时所用。
3、在不对每一个都进行子类化以匹配它们的接口的情况下，使用一些已经存在的子类。
假设你家里安装的全是圆孔插座（YuanKongChaZhuo），而你买回的电视插头只能插扁孔插座（BianKongChaZhuo)。那你想要看电视就得买一个适配器（Adpater），适配器的前面是圆孔插头，背面是扁孔插座。
6.1类的适配器
圆孔插座类：
/**
* 虽然能供电，但插孔不是我们想要的
* @author Peter
*
*/
public class YuanKongChaZhuo {
public void charge_byYuanKong(){
System.out.println("圆孔插座供电中......");
}
}
我们实际需求的插座类型：
/**
* 我们所需要的接口，既可以给圆孔插头又可以给方孔插头供电
* @author Peter
*
*/
public interface AdpaterInter {
public void charge_byYuanKong();
public void charge_byBianKong();
}
买回我们需要的适配器：类的适配器既要继承不能为我所用的类，也要实现我们所希望新接口
/**
* 适配器
* @author Peter
*
*/
public class Adapter extends YuanKongChaZhuo implements AdpaterInter{
@Override
public void charge_byBianKong() {
System.out.println("方孔插座供电中......");
}
}测试：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
Adapter adpater = new Adapter();
adpater.charge_byBianKong();//利用适配器的扁孔插座充电
adpater.charge_byYuanKong();//利用圆孔插座充电
}
}6.2对象的适配器
对象适配器模式的三个特点：
1、 适配器对象要实现原有接口
2、适配器对象组合一个实现新接口的对象（这个对象也可以不实现一个接口，只是一个单纯的对象）
3、 对适配器原有接口方法的调用被委托给新接口的实例的特定方法
对象适配器与类适配器的区别只是实现方式的不同：
对象适配器代码：
public class AdapterObj implements AdpaterInter{
private YuanKongChaZhuo yuan;
public AdapterObj(YuanKongChaZhuo yuan){
this.yuan = yuan;
}
@Override
public void charge_byBianKong() {
System.out.println("方孔插座供电中......");
}
@Override
public void charge_byYuanKong() {
this.yuan.charge_byYuanKong();
}
}
测试：
public class Test {
public static void main(String[] args) {
AdapterObj objAdpater = new AdapterObj(new YuanKongChaZhuo());
objAdpater.charge_byBianKong();
objAdpater.charge_byYuanKong();
}
}6.3接口的适配器
有时我们写的一个接口中有多个抽象方法，当我们写该接口的实现类时，必须实现该接口的所有方法，这明显有时比较浪费，因为并不是所有的方法都是我们需要的，有时只需要某一些，此处为了解决这个问题，我们引入了接口的适配器模式，即借助于一个抽象类，该抽象类实现了该接口，实现了所有的方法，而我们不和原始的接口打交道，只和该抽象类取得联系，所以我们写一个类，继承该抽象类，重写我们需要的方法就行
原始接口：
public interface Sourceable {
public void method1();
public void method2();
} 需要借助的抽象类：实现了原始接口后，并实现了所有方法
public abstract class Wrapper2 implements Sourceable{
public void method1(){}
public void method2(){}
} 我们实际需要的：
public class SourceSub1 extends Wrapper2 {
public void method1(){
System.out.println("the sourceable interface's first Sub1!");
}
}
public class SourceSub2 extends Wrapper2 {
public void method2(){
System.out.println("the sourceable interface's second Sub2!");
}
}测试：
public class WrapperTest {
public static void main(String[] args) {
Sourceable source1 = new SourceSub1();
Sourceable source2 = new SourceSub2();
source1.method1();
source1.method2();
source2.method1();
source2.method2();
}
} 部分参考：http://blog.csdn.net/zhangerqing