设计模式
java设计模式
设计模式（Design pattern）代表了最佳的实践，通常被有经验的面向对象的软件开发人员所采用。设计模式是软件开发人员在软件开发过程中面临的一般问题的解决方案。这些解决方案是众多软件开发人员经过相当长的一段时间的试验和错误总结出来的。
设计模式是一套被反复使用的、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，设计模式使软件工程的基石，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，每种模式都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，这也是设计模式能被广泛应用的原因。
设计模式的类型：
设计模式一共有23种。这些模式可以分为三大类：创建型模式（Creational Patterns）、结构型模式（Structural Patterns）、行为型模式（Behavioral Patterns）、J2EE设计模式。
单例模式-创建型模式
单例模式用于配置文件、文档读取之类对象，只需要一个对象读取就可以了。推荐使用饿汉式，不要使用懒汉式
饿汉式：
public class Singleton {
private static final Singleton singleton = new Singleton();
//私有化构造方法
private Singleton() {}
//提供对外接口
public static Singleton getInstance() {
return singleton;
}
}懒汉式：
public class Singleton {
private static Singleton singleton;
//私有化构造方法
private Singleton() {}
//提供对外接口
synchronized public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
return singleton;
}
}双检锁/双重校验锁：
public class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
private Singleton (){}
public static Singleton getSingleton() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) {
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
} |
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登记式、内部静态类：(延迟加载时使用)
public class Singleton {
private static class SingletonHolder {
private static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
}
private Singleton (){}
public static final Singleton getInstance() {
return SingletonHolder.INSTANCE;
}
}工厂模式-创建型模式
工厂模式（Factory Pattern）是java中最常用的设计模式之一。这种类型的设计模式属于创建型模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。在工厂模式中，我们在创建对象时不会对客户端暴露创建逻辑，并且是通过使用一个共同的接口来指向新创建的对象。
作用：
定义一个创建对象的接口，让其子类自己决定实例化哪一个工厂类，工厂模式使其创建过程延迟到子类进行，例如，设计一个连接服务器的框架，需要三个协议，“POP3”、"IMAP"、"HTTP"，可以把这三个作为产品类，共同实现一个接口。（SqlSessionFactory就是一个例子）
注意：
作为一个创建类模式，在任何需要生成复杂对象的地方都可以使用工厂方法模式。有一点需要注意就是复杂对象适合使用工厂模式，而简单对象，特别是只需要通过new 就可以完成创建的对象，无需使用工厂模式。如果使用工厂模式，就需要引入一个工厂类，会增加系统的复杂度。
ShapeFactory工厂类:
public class ShapeFactory {
public static Object getClass(Class clazz) {
Object obj = null;
try {
obj = Class.forName(clazz.getName()).newInstance();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return obj;
}
}创建Shape的子类：
Rectangle rect = (Rectangle) ShapeFactory.getClass(Rectangle.class);
rect.draw();
Square square = (Square) ShapeFactory.getClass(Square.class);
square.draw();抽象工厂模式-创建型模式
抽象工厂模式（Abstract Factory Pattern）是围绕一个超级工厂创建其他工厂。该超级工厂又称为其他工厂的工厂。这种类型的设计模式属于创建型模式，他提供了一种创建对象的最佳方式。在抽象工厂模式中，接口是负责创建一个相关对象的工厂，不需要显式指定它们的类。每个生成的工厂都能按照工厂模式提供对象。
我们将创建 Shape 和 Color 接口和实现这些接口的实体类。下一步是创建抽象工厂类 AbstractFactory。接着定义工厂类 ShapeFactory 和 ColorFactory，这两个工厂类都是扩展了 AbstractFactory。然后创建一个工厂创造器/生成器类 FactoryProducer。
AbstractFactoryPatternDemo，我们的演示类使用 FactoryProducer 来获取 AbstractFactory 对象。它将向 AbstractFactory 传递形状信息 Shape（CIRCLE / RECTANGLE / SQUARE），以便获取它所需对象的类型。同时它还向 AbstractFactory 传递颜色信息 Color（RED / GREEN / BLUE），以便获取它所需对象的类型。
AbstractFactory.java
public abstract class AbstractFactory {
abstract Color getColor(String color);
abstract Shape getShape(String shape) ;
}ShapeFactory.java
public class ShapeFactory extends AbstractFactory {
@Override
public Shape getShape(String shapeType){
if(shapeType == null){
return null;
}
if(shapeType.equalsIgnoreCase("CIRCLE")){
return new Circle();
} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
return new Rectangle();
} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
return new Square();
}
return null;
}
@Override
Color getColor(String color) {
return null;
}
}ColorFactory.java
public class ColorFactory extends AbstractFactory {
@Override
public Shape getShape(String shapeType){
return null;
}
@Override
Color getColor(String color) {
if(color == null){
return null;
}
if(color.equalsIgnoreCase("RED")){
return new Red();
} else if(color.equalsIgnoreCase("GREEN")){
return new Green();
} else if(color.equalsIgnoreCase("BLUE")){
return new Blue();
}
return null;
}
}FactoryProducer.java 创建一个工厂创造器/生成器类，通过传递形状或颜色信息来获取工厂。
public class FactoryProducer {
public static AbstractFactory getFactory(String choice){
if(choice.equalsIgnoreCase("SHAPE")){
return new ShapeFactory();
} else if(choice.equalsIgnoreCase("COLOR")){
return new ColorFactory();
}
return null;
}
}|
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AbstractFactoryPatternDemo.java
public class AbstractFactoryPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
//获取形状工厂
AbstractFactory shapeFactory = FactoryProducer.getFactory("SHAPE");
//获取形状为 Circle 的对象
Shape shape1 = shapeFactory.getShape("CIRCLE");
//调用 Circle 的 draw 方法
shape1.draw();
//获取形状为 Rectangle 的对象
Shape shape2 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
//调用 Rectangle 的 draw 方法
shape2.draw();
//获取形状为 Square 的对象
Shape shape3 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
//调用 Square 的 draw 方法
shape3.draw();
//获取颜色工厂
AbstractFactory colorFactory = FactoryProducer.getFactory("COLOR");
//获取颜色为 Red 的对象
Color color1 = colorFactory.getColor("RED");
//调用 Red 的 fill 方法
color1.fill();
//获取颜色为 Green 的对象
Color color2 = colorFactory.getColor("Green");
//调用 Green 的 fill 方法
color2.fill();
//获取颜色为 Blue 的对象
Color color3 = colorFactory.getColor("BLUE");
//调用 Blue 的 fill 方法
color3.fill();
}
}观察者模式
当对象间存在一对多关系时，则使用观察者模式（Observer Pattern）。比如，当一个对象被修改时，则会自动通知它的依赖对象。观察者模式属于行为型模式。
实现：
定义对象间的一种一对多的依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖于它的对象都得到通知并被自动更新。一个对象状态改变给其他对象通知的问题，而且要考虑到易用和低耦合，保证高度的协作。
一个抽象模型有两个方面，其中一个方面依赖于另一个方面。将这些方面封装在独立的对象中使它们可以各自独立地改变和复用。
一个对象的改变将导致其他一个或多个对象也发生改变，而不知道具体有多少对象将发生改变，可以降低对象之间的耦合度。
一个对象必须通知其他对象，而并不知道这些对象是谁。
需要在系统中创建一个触发链，A对象的行为将影响B对象，B对象的行为将影响C对象……，可以使用观察者模式创建一种链式触发机制。
Subject类，被观察对象
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Subject {
private List observers = new ArrayList();
private int state;
public int getState() {
return state;
}
public void setState(int state) {
this.state = state;
notifyAllObservers();
}
public void attach(Observer observer){
observers.add(observer);
}
public void notifyAllObservers(){
for (Observer observer : observers) {
observer.update();
}
}
} |
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Observer类，观察者接口
public abstract class Observer {
protected Subject subject;
public abstract void update();
}|
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BinaryObserver类
public class BinaryObserver extends Observer{
public BinaryObserver(Subject subject){
this.subject = subject;
this.subject.attach(this);
}
@Override
public void update() {
System.out.println( "Binary String: "
+ Integer.toBinaryString( subject.getState() ) );
}
}|
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OctalObserver类
public class OctalObserver extends Observer{
public OctalObserver(Subject subject){
this.subject = subject;
this.subject.attach(this);
}
@Override
public void update() {
System.out.println( "Octal String: "
+ Integer.toOctalString( subject.getState() ) );
}
}|
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HexaObserver类
public class HexaObserver extends Observer{
public HexaObserver(Subject subject){
this.subject = subject;
this.subject.attach(this);
}
@Override
public void update() {
System.out.println( "Hex String: "
+ Integer.toHexString( subject.getState() ).toUpperCase() );
}
}Main,测试
public class ObserverPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Subject subject = new Subject();
new HexaObserver(subject);
new OctalObserver(subject);
new BinaryObserver(subject);
System.out.println("First state change: 15");
subject.setState(15);
System.out.println("Second state change: 10");
subject.setState(10);
}
}
组合模式
组合模式（Composite Pattern），又叫部分整体模式，是用于把一组相似的对象当作一个单一的对象。组合模式依据树形结构来组合对象，用来表示部分以及整体层次。这种类型的设计模式属于结构型模式，它创建了对象组的树形结构。
这种模式创建了一个包含自己对象组的类。该类提供了修改相同对象组的方式。
实现：
将对象组合成树形结构以表示"部分-整体"的层次结构。组合模式使得用户对单个对象和组合对象的使用具有一致性。它在我们树型结构的问题中，模糊了简单元素和复杂元素的概念，客户程序可以向处理简单元素一样来处理复杂元素，从而使得客户程序与复杂元素的内部结构解耦。使用场景：1、您想表示对象的部分-整体层次结构（树形结构）。 2、您希望用户忽略组合对象与单个对象的不同，用户将统一地使用组合结构中的所有对象。
Employee类
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class Employee {
private String name;
private String dept;
private int salary;
private List subordinates;
//构造函数
public Employee(String name,String dept, int sal) {
this.name = name;
this.dept = dept;
this.salary = sal;
subordinates = new ArrayList();
}
public void add(Employee e) {
subordinates.add(e);
}
public void remove(Employee e) {
subordinates.remove(e);
}
public List getSubordinates(){
return subordinates;
}
public String toString(){
return ("Employee :[ Name : "+ name
+", dept : "+ dept + ", salary :"
+ salary+" ]");
}
} |
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Main类
public class CompositePatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Employee CEO = new Employee("John","CEO", 30000);
Employee headSales = new Employee("Robert","Head Sales", 20000);
Employee headMarketing = new Employee("Michel","Head Marketing", 20000);
Employee clerk1 = new Employee("Laura","Marketing", 10000);
Employee clerk2 = new Employee("Bob","Marketing", 10000);
Employee salesExecutive1 = new Employee("Richard","Sales", 10000);
Employee salesExecutive2 = new Employee("Rob","Sales", 10000);
CEO.add(headSales);
CEO.add(headMarketing);
headSales.add(salesExecutive1);
headSales.add(salesExecutive2);
headMarketing.add(clerk1);
headMarketing.add(clerk2);
//打印该组织的所有员工
System.out.println(CEO);
for (Employee headEmployee : CEO.getSubordinates()) {
System.out.println(headEmployee);
for (Employee employee : headEmployee.getSubordinates()) {
System.out.println(employee);
}
}
}
}|
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适配器模式-结构型模型
适配器模式(Adapter Pattern)是作为两个不兼容接口之间的桥梁。这种类型的设计模式属于结构型模式，它结合了两个独立接口的功能。
这种模式涉及到一个单一的类，该类负责加入独立的或者不兼容的接口功能。将一个类的接口转换成客户希望的另外一个接口。适配器模式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。主要解决在软件系统中，常常要将一些“现存的对象”放到新的环境中，而新环境要求的接口是现对象不能满足的。
实现：
我们有一个 MediaPlayer 接口和一个实现了 MediaPlayer 接口的实体类 AudioPlayer。默认情况下，AudioPlayer 可以播放 mp3 格式的音频文件。
我们还有另一个接口 AdvancedMediaPlayer 和实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。该类可以播放 vlc 和 mp4 格式的文件。
我们想要让 AudioPlayer 播放其他格式的音频文件。为了实现这个功能，我们需要创建一个实现了 MediaPlayer 接口的适配器类 MediaAdapter，并使用 AdvancedMediaPlayer 对象来播放所需的格式。
AudioPlayer 使用适配器类 MediaAdapter 传递所需的音频类型，不需要知道能播放所需格式音频的实际类。AdapterPatternDemo，我们的演示类使用 AudioPlayer 类来播放各种格式。
为媒体播放器和更高级的媒体播放器创建接口。
MediaPlayer.java
public interface MediaPlayer {
public void play(String audioType, String fileName);
}AdvancedMediaPlayer.java
public interface AdvancedMediaPlayer {
public void playVlc(String fileName);
public void playMp4(String fileName);
}创建实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。
VlcPlayer.java
public class VlcPlayer implements AdvancedMediaPlayer{
@Override
public void playVlc(String fileName) {
System.out.println("Playing vlc file. Name: "+ fileName);
}
@Override
public void playMp4(String fileName) {
//什么也不做
}
}|
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Mp4Player.java
public class Mp4Player implements AdvancedMediaPlayer{
@Override
public void playVlc(String fileName) {
//什么也不做
}
@Override
public void playMp4(String fileName) {
System.out.println("Playing mp4 file. Name: "+ fileName);
}
}创建实现了 MediaPlayer 接口的适配器类。
MediaAdapter.java
public class MediaAdapter implements MediaPlayer {
AdvancedMediaPlayer advancedMusicPlayer;
public MediaAdapter(String audioType){
if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc") ){
advancedMusicPlayer = new VlcPlayer();
} else if (audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
advancedMusicPlayer = new Mp4Player();
}
}
@Override
public void play(String audioType, String fileName) {
if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc")){
advancedMusicPlayer.playVlc(fileName);
}else if(audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
advancedMusicPlayer.playMp4(fileName);
}
}
}创建实现了 MediaPlayer 接口的实体类。
AudioPlayer.java
public class AudioPlayer implements MediaPlayer {
MediaAdapter mediaAdapter;
@Override
public void play(String audioType, String fileName) {
//播放 mp3 音乐文件的内置支持
if(audioType.equalsIgnoreCase("mp3")){
System.out.println("Playing mp3 file. Name: "+ fileName);
}
//mediaAdapter 提供了播放其他文件格式的支持
else if(audioType.equalsIgnoreCase("vlc")
|| audioType.equalsIgnoreCase("mp4")){
mediaAdapter = new MediaAdapter(audioType);
mediaAdapter.play(audioType, fileName);
}
else{
System.out.println("Invalid media. "+
audioType + " format not supported");
}
}
}使用 AudioPlayer 来播放不同类型的音频格式。
AdapterPatternDemo.java
public class AdapterPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
AudioPlayer audioPlayer = new AudioPlayer();
audioPlayer.play("mp3", "beyond the horizon.mp3");
audioPlayer.play("mp4", "alone.mp4");
audioPlayer.play("vlc", "far far away.vlc");
audioPlayer.play("avi", "mind me.avi");
}
}
装饰器模式
装饰器模式（Decorator Pattern）允许向一个现有的对象添加新的功能，同时又不改变其结构。这种类型的设计模式属于结构型模式，它是作为现有的类的一个包装。这种模式创建了一个装饰类，用来包装原有的类，并在保持类方法签名完整性的前提下，提供了额外的功能。
实现：
动态地给一个对象添加一些额外的职责。就增加功能来说，装饰器模式相比生成子类更为灵活。一般的，我们为了扩展一个类经常使用继承方式实现，由于继承为类引入静态特征，并且随着扩展功能的增多，子类会很膨胀。装饰类和被装饰类可以独立发展，不会相互耦合，装饰模式是继承的一个替代模式，装饰模式可以动态扩展一个实现类的功能。
Shape接口
public interface Shape {
void draw();
}Rectangle实现类
public class Rectangle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Rectangle");
}
}Circle实现类
public class Circle implements Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("Shape: Circle");
}
}ShapeDecorator实现类
public abstract class ShapeDecorator implements Shape {
protected Shape decoratedShape;
public ShapeDecorator(Shape decoratedShape){
this.decoratedShape = decoratedShape;
}
public void draw(){
decoratedShape.draw();
}
}RedShapeDecorator实现类
public class RedShapeDecorator extends ShapeDecorator {
public RedShapeDecorator(Shape decoratedShape) {
super(decoratedShape);
}
@Override
public void draw() {
decoratedShape.draw();
setRedBorder(decoratedShape);
}
private void setRedBorder(Shape decoratedShape){
System.out.println("Border Color: Red");
}
}DecoratorPatternDemo实现类
public class DecoratorPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Shape circle = new Circle();
Shape redCircle = new RedShapeDecorator(new Circle());
Shape redRectangle = new RedShapeDecorator(new Rectangle());
System.out.println("Circle with normal border");
circle.draw();
System.out.println("\nCircle of red border");
redCircle.draw();
System.out.println("\nRectangle of red border");
redRectangle.draw();
}
}
代理模式
在代理模式（Proxy Pattern）中，一个类代表另一个类的功能。这种类型的设计模式属于结构型模式。在代理模式中，我们创建具有现有对象的对象，以便向外界提供功能接口。
实现：
为其他对象提供一种代理以控制对这个对象的访问。在直接访问对象时带来的问题，比如说：要访问的对象在远程的机器上。在面向对象系统中，有些对象由于某些原因（比如对象创建开销很大，或者某些操作需要安全控制，或者需要进程外的访问），直接访问会给使用者或者系统结构带来很多麻烦，我们可以在访问此对象时加上一个对此对象的访问层。1、和适配器模式的区别：适配器模式主要改变所考虑对象的接口，而代理模式不能改变所代理类的接口。 2、和装饰器模式的区别：装饰器模式为了增强功能，而代理模式是为了加以控制。
Image接口
public interface Image {
void display();
}RealImage实现类
public class RealImage implements Image {
private String fileName;
public RealImage(String fileName){
this.fileName = fileName;
loadFromDisk(fileName);
}
@Override
public void display() {
System.out.println("Displaying " + fileName);
}
private void loadFromDisk(String fileName){
System.out.println("Loading " + fileName);
}
}ProxyImage代理
public class ProxyImage implements Image{
private RealImage realImage;
private String fileName;
public ProxyImage(String fileName){
this.fileName = fileName;
}
@Override
public void display() {
if(realImage == null){
realImage = new RealImage(fileName);
}
realImage.display();
}
}|
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Main
public class ProxyPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Image image = new ProxyImage("test_10mb.jpg");
//图像将从磁盘加载
image.display();
System.out.println("");
//图像将无法从磁盘加载
image.display();
}
}
享元模式
享元模式（Flyweight Pattern）主要用于减少创建对象的数量，以减少内存占用和提高性能。这种类型的设计模式属于结构型模式，它提供了减少对象数量从而改善应用所需的对象结构的方式。享元模式尝试重用现有的同类对象，如果未找到匹配的对象，则创建新对象。
实现：
运用共享技术有效地支持大量细粒度的对象。在有大量对象时，有可能会造成内存溢出，我们把其中共同的部分抽象出来，如果有相同的业务请求，直接返回在内存中已有的对象，避免重新创建。1、系统中有大量对象。 2、这些对象消耗大量内存。 3、这些对象的状态大部分可以外部化。 4、这些对象可以按照内蕴状态分为很多组，当把外蕴对象从对象中剔除出来时，每一组对象都可以用一个对象来代替。 5、系统不依赖于这些对象身份，这些对象是不可分辨的。
Shape接口
public interface Shape {
void draw();
}Shape接口实现类
public class Circle implements Shape {
private String color;
private int x;
private int y;
private int radius;
public Circle(String color){
this.color = color;
}
public void setX(int x) {
this.x = x;
}
public void setY(int y) {
this.y = y;
}
public void setRadius(int radius) {
this.radius = radius;
}
@Override
public void draw() {
System.out.println("Circle: Draw() [Color : " + color
+", x : " + x +", y :" + y +", radius :" + radius);
}
}ShapeFactory实体类创建工厂
import java.util.HashMap;
public class ShapeFactory {
private static final HashMap circleMap = new HashMap<>();
public static Shape getCircle(String color) {
Circle circle = (Circle)circleMap.get(color);
if(circle == null) {
circle = new Circle(color);
circleMap.put(color, circle);
System.out.println("Creating circle of color : " + color);
}
return circle;
}
} |
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Main
public class FlyweightPatternDemo {
private static final String colors[] =
{ "Red", "Green", "Blue", "White", "Black" };
public static void main(String[] args) {
for(int i=0; i < 20; ++i) {
Circle circle =
(Circle)ShapeFactory.getCircle(getRandomColor());
circle.setX(getRandomX());
circle.setY(getRandomY());
circle.setRadius(100);
circle.draw();
}
}
private static String getRandomColor() {
return colors[(int)(Math.random()*colors.length)];
}
private static int getRandomX() {
return (int)(Math.random()*100 );
}
private static int getRandomY() {
return (int)(Math.random()*100);
}
}