几种常用的设计模式介绍

1.   设计模式的起源

最早提出“设计模式”概念的是建筑设计大师亚力山大Alexander。在1970年他的《建筑的永恒之道》里描述了投计模式的发现，因为它已经存在了千百年之久，而现代才被通过大量的研究而被发现。

在《建筑的永恒之道》里这样描述：模式是一条由三个部分组成的通用规则：它表示了一个特定环境、一类问题和一个解决方案之间的关系。每一个模式描述了一个不断重复发生的问题，以及该问题解决方案的核心设计。

 

在他的另一本书《建筑模式语言》中提到了现在已经定义了253种模式。比如：

说明城市主要的结构：亚文化区的镶嵌、分散的工作点、城市的魅力、地方交通区

住宅团组：户型混合、公共性的程度、住宅团组、联排式住宅、丘状住宅、老人天地室内环境和室外环境、阴和阳总是一气呵成

针对住宅：夫妻的领域、儿童的领域、朝东的卧室、农家的厨房、私家的沿街露台、个人居室、起居空间的序列、多床卧室、浴室、大储藏室

针对办公室、车间和公共建筑物：灵活办公空间、共同进餐、共同小组、宾至如归、等候场所、小会议室、半私密办公室

 

尽管亚力山大的著作是针对建筑领域的，但他的观点实际上适用于所有的工程设计领域，其中也包括软件设计领域。“软件设计模式”，这个术语是在1990年代由Erich Gamma等人从建筑设计领域引入到计算机科学中来的。目前主要有23种。

 

2.   软件设计模式的分类

2.1.  创建型

创建对象时，不再由我们直接实例化对象；而是根据特定场景，由程序来确定创建对象的方式，从而保证更大的性能、更好的架构优势。创建型模式主要有简单工厂模式（并不是23种设计模式之一）、工厂方法、抽象工厂模式、单例模式、生成器模式和原型模式。

2.2.  结构型

用于帮助将多个对象组织成更大的结构。结构型模式主要有适配器模式、桥接模式、组合器模式、装饰器模式、门面模式、亨元模式和代理模式。

2.3.  行为型

用于帮助系统间各对象的通信，以及如何控制复杂系统中流程。行为型模式主要有命令模式、解释器模式、迭代器模式、中介者模式、备忘录模式、观察者模式、状态模式、策略模式、模板模式和访问者模式。

3.   常见设计模式介绍

3.1.  单例模式(singleton)

有些时候，允许自由创建某个类的实例没有意义，还可能造成系统性能下降。如果一个类始终只能创建一个实例，则这个类被称为单例类，这种模式就被称为单例模式。

publicclass Singleton {         publicstaticvoid main(String[] args)     {        //创建Singleton对象不能通过构造器，只能通过getInstance方法        Singleton s1 = Singleton.getInstance();        Singleton s2 = Singleton.getInstance();        //将输出true        System.out.println(s1 == s2);     }         //使用一个变量来缓存曾经创建的实例     privatestatic Singleton instance;     //将构造器使用private修饰，隐藏该构造器     private Singleton(){        System.out.println("Singleton被构造！");     }         //提供一个静态方法，用于返回Singleton实例     //该方法可以加入自定义的控制，保证只产生一个Singleton对象     publicstatic Singleton getInstance()     {        //如果instance为null，表明还不曾创建Singleton对象        //如果instance不为null，则表明已经创建了Singleton对象，将不会执行该方法        if (instance == null)        {            //创建一个Singleton对象，并将其缓存起来            instance = new Singleton();        }        returninstance;     } }

单例模式主要有如下两个优势：

1)     减少创建Java实例所带来的系统开销

2)     便于系统跟踪单个Java实例的生命周期、实例状态等。

 

3.2.  简单工厂(StaticFactoryMethod)

简单工厂模式是由一个工厂对象决定创建出哪一种产品类的实例。简单工厂模式是工厂模式家族中最简单实用的模式，可以理解为是不同工厂模式的一个特殊实现。

A实例调用B实例的方法，称为A依赖于B。如果使用new关键字来创建一个B实例（硬编码耦合），然后调用B实例的方法。一旦系统需要重构：需要使用C类来代替B类时，程序不得不改写A类代码。而用工厂模式则不需要关心B对象的实现、创建过程。

Output，接口

publicinterface Output {     //接口里定义的属性只能是常量     intMAX_CACHE_LINE = 50;     //接口里定义的只能是public的抽象实例方法     void out();     void getData(String msg); }

Printer，Output的一个实现

//让Printer类实现Output publicclass Printer implements Output {     private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE];     //用以记录当前需打印的作业数     privateintdataNum = 0;     publicvoid out()     {        //只要还有作业，继续打印        while(dataNum > 0)        {            System.out.println("打印机打印：" + printData[0]);            //把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1            System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum);        }     }     publicvoid getData(String msg)     {        if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE)        {            System.out.println("输出队列已满，添加失败");        }        else        {            //把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。            printData[dataNum++] = msg;        }     } }

BetterPrinter，Output的一个实现

publicclass BetterPrinter implements Output {     private String[] printData = new String[MAX_CACHE_LINE * 2];     //用以记录当前需打印的作业数     privateintdataNum = 0;     publicvoid out()     {        //只要还有作业，继续打印        while(dataNum > 0)        {            System.out.println("高速打印机正在打印：" + printData[0]);            //把作业队列整体前移一位，并将剩下的作业数减1            System.arraycopy(printData , 1, printData, 0, --dataNum);        }     }     publicvoid getData(String msg)     {        if (dataNum >= MAX_CACHE_LINE * 2)        {            System.out.println("输出队列已满，添加失败");        }        else        {            //把打印数据添加到队列里，已保存数据的数量加1。            printData[dataNum++] = msg;        }     } }

OutputFactory，简单工厂类

public Output getPrinterOutput(String type) {        if (type.equalsIgnoreCase("better")) {            returnnew BetterPrinter();        } else {            returnnew Printer();        }     }

Computer

publicclass Computer {     private Output out;       public Computer(Output out)     {        this.out = out;     }     //定义一个模拟获取字符串输入的方法     publicvoid keyIn(String msg)     {        out.getData(msg);     }     //定义一个模拟打印的方法     publicvoid print()     {        out.out();     }     publicstaticvoid main(String[] args)     {        //创建OutputFactory        OutputFactory of = new OutputFactory();        //将Output对象传入，创建Computer对象        Computer c = new Computer(of.getPrinterOutput("normal"));        c.keyIn("建筑永恒之道");        c.keyIn("建筑模式语言");        c.print();                 c = new Computer(of.getPrinterOutput("better"));        c.keyIn("建筑永恒之道");        c.keyIn("建筑模式语言");        c.print();     }

 

使用简单工厂模式的优势：让对象的调用者和对象创建过程分离，当对象调用者需要对象时，直接向工厂请求即可。从而避免了对象的调用者与对象的实现类以硬编码方式耦合，以提高系统的可维护性、可扩展性。工厂模式也有一个小小的缺陷：当产品修改时，工厂类也要做相应的修改。

3.3.  工厂方法(Factory Method)和抽象工厂(Abstract Factory)

如果我们不想在工厂类中进行逻辑判断，程序可以为不同产品类提供不同的工厂，不同的工厂类和产不同的产品。

当使用工厂方法设计模式时，对象调用者需要与具体的工厂类耦合，如：

//工厂类的定义1 publicclass BetterPrinterFactory     implements OutputFactory {     public Output getOutput()     {        //该工厂只负责产生BetterPrinter对象        returnnew BetterPrinter();     } } //工厂类的定义2 publicclass PrinterFactory     implements OutputFactory {     public Output getOutput()     {        //该工厂只负责产生Printer对象        returnnew Printer();     } } //工厂类的调用 //OutputFactory of = new BetterPrinterFactory(); OutputFactory of = new PrinterFactory(); Computer c = new Computer(of.getOutput());

 

使用简单工厂类，需要在工厂类里做逻辑判断。而工厂类虽然不用在工厂类做判断。但是带来了另一种耦合：客户端代码与不同的工厂类耦合。

 

为了解决客户端代码与不同工厂类耦合的问题。在工厂类的基础上再增加一个工厂类，该工厂类不制造具体的被调用对象，而是制造不同工厂对象。如：

//抽象工厂类的定义，在工厂类的基础上再建一个工厂类 publicclass OutputFactoryFactory {     //仅定义一个方法用于返回输出设备。     publicstatic OutputFactory getOutputFactory(        String type)     {        if (type.equalsIgnoreCase("better"))        {            returnnew BetterPrinterFactory();         }        else        {            returnnew PrinterFactory();        }     } }   //抽象工厂类的调用 OutputFactory of = OutputFactoryFactory.getOutputFactory("better"); Computer c = new Computer(of.getOutput());

 

3.4.  代理模式(Proxy)

代理模式是一种应用非常广泛的设计模式，当客户端代码需要调用某个对象时，客户端实际上不关心是否准确得到该对象，它只要一个能提供该功能的对象即可，此时我们就可返回该对象的代理（Proxy）。

代理就是一个Java对象代表另一个Java对象来采取行动。如：

publicclass ImageProxy implements Image {     //组合一个image实例，作为被代理的对象     private Image image;     //使用抽象实体来初始化代理对象     public ImageProxy(Image image)     {        this.image = image;     }     /**      * 重写Image接口的show()方法      * 该方法用于控制对被代理对象的访问，      * 并根据需要负责创建和删除被代理对象      */     publicvoid show()     {        //只有当真正需要调用image的show方法时才创建被代理对象        if (image == null)        {            image = new BigImage();        }        image.show();     } }

调用时，先不创建：

Image image = new ImageProxy(null);

 

Hibernate默认启用延迟加载，当系统加载A实体时，A实体关联的B实体并未被加载出来，A实体所关联的B实体全部是代理对象——只有等到A实体真正需要访问B实体时，系统才会去数据库里抓取B实体所对应的记录。

借助于Java提供的Proxy和InvocationHandler，可以实现在运行时生成动态代理的功能，而动态代理对象就可以作为目标对象使用，而且增强了目标对象的功能。如：

Panther

publicinterface Panther {     //info方法声明     publicvoid info();     //run方法声明     publicvoid run(); }

GunPanther

publicclass GunPanther implements Panther {     //info方法实现，仅仅打印一个字符串     publicvoid info()     {        System.out.println("我是一只猎豹！");     }     //run方法实现，仅仅打印一个字符串     publicvoid run()     {        System.out.println("我奔跑迅速");     } }

MyProxyFactory，创建代理对象

publicclass MyProxyFactory {     //为指定target生成动态代理对象     publicstatic Object getProxy(Object target)        throws Exception     {        //创建一个MyInvokationHandler对象        MyInvokationHandler handler =            new MyInvokationHandler();        //为MyInvokationHandler设置target对象        handler.setTarget(target);        //创建、并返回一个动态代理        return Proxy.newProxyInstance(target.getClass().getClassLoader()            , target.getClass().getInterfaces(), handler);     } }

MyInvokationHandler，增强代理的功能

publicclass MyInvokationHandler implements InvocationHandler {     //需要被代理的对象     private Object target;     publicvoid setTarget(Object target)     {        this.target = target;     }     //执行动态代理对象的所有方法时，都会被替换成执行如下的invoke方法     public Object invoke(Object proxy, Method method, Object[] args)        throws Exception     {        TxUtil tx = new TxUtil();        //执行TxUtil对象中的beginTx。        tx.beginTx();        //以target作为主调来执行method方法        Object result = method.invoke(target , args);        //执行TxUtil对象中的endTx。        tx.endTx();        return result;     } }

TxUtil

publicclass TxUtil {     //第一个拦截器方法:模拟事务开始     publicvoid beginTx()     {        System.out.println("=====模拟开始事务=====");     }     //第二个拦截器方法:模拟事务结束     publicvoid endTx()     {        System.out.println("=====模拟结束事务=====");     } }

测试

publicstaticvoid main(String[] args)        throws Exception     {        //创建一个原始的GunDog对象，作为target        Panther target = new GunPanther();        //以指定的target来创建动态代理        Panther panther = (Panther)MyProxyFactory.getProxy(target);        //调用代理对象的info()和run()方法        panther.info();        panther.run();     }

Spring所创建的AOP代理就是这种动态代理。但是Spring AOP更灵活。

3.5.  命令模式(Command)

某个方法需要完成某一个功能，完成这个功能的大部分步骤已经确定了，但可能有少量具体步骤无法确定，必须等到执行该方法时才可以确定。（在某些编程语言如Ruby、Perl里，允许传入一个代码块作为参数。但Jara暂时还不支持代码块作为参数）。在Java中，传入该方法的是一个对象，该对象通常是某个接口的匿名实现类的实例，该接口通常被称为命令接口，这种设计方式也被称为命令模式。

如：

Command

publicinterface Command {     //接口里定义的process方法用于封装“处理行为”     void process(int[] target); }

ProcessArray

publicclass ProcessArray {     //定义一个each()方法，用于处理数组，     publicvoid each(int[] target , Command cmd)     {        cmd.process(target);     } }

TestCommand

publicclass TestCommand {     publicstaticvoid main(String[] args)     {        ProcessArray pa = new ProcessArray();        int[] target = {3, -4, 6, 4};        //第一次处理数组，具体处理行为取决于Command对象        pa.each(target , new Command()        {            //重写process()方法，决定具体的处理行为            publicvoid process(int[] target)            {               for (int tmp : target )               {                   System.out.println("迭代输出目标数组的元素:" + tmp);               }            }        });        System.out.println("------------------");        //第二次处理数组，具体处理行为取决于Command对象        pa.each(target , new Command()        {            //重写process方法，决定具体的处理行为            publicvoid process(int[] target)            {               int sum = 0;               for (int tmp : target )               {                   sum += tmp;                        }               System.out.println("数组元素的总和是:" + sum);            }        });     } }

 

HibernateTemplate使用了executeXxx()方法弥补了HibernateTemplate的不足，该方法需要接受一个HibernateCallback接口，该接口的代码如下：

public interface HibernateCallback {        Object doInHibernate(Session session); }

 

3.6.  策略模式(Strategy)

策略模式用于封装系列的算法，这些算法通常被封装在一个被称为Context的类中，客户端程序可以自由选择其中一种算法，或让Context为客户端选择一种最佳算法——使用策略模式的优势是为了支持算法的自由切换。

DiscountStrategy，折扣方法接口

publicinterface DiscountStrategy {     //定义一个用于计算打折价的方法     double getDiscount(double originPrice); }

OldDiscount，旧书打折算法

publicclass OldDiscount implements DiscountStrategy {     // 重写getDiscount()方法，提供旧书打折算法     publicdouble getDiscount(double originPrice) {        System.out.println("使用旧书折扣...");        return originPrice * 0.7;     } }

VipDiscount，VIP打折算法

//实现DiscountStrategy接口，实现对VIP打折的算法 publicclass VipDiscount implements DiscountStrategy {     // 重写getDiscount()方法，提供VIP打折算法     publicdouble getDiscount(double originPrice) {        System.out.println("使用VIP折扣...");        return originPrice * 0.5;     } }

策略定义

publicclass DiscountContext {     //组合一个DiscountStrategy对象     private DiscountStrategy strategy;     //构造器，传入一个DiscountStrategy对象     public DiscountContext(DiscountStrategy strategy)     {        this.strategy  = strategy;     }     //根据实际所使用的DiscountStrategy对象得到折扣价     publicdouble getDiscountPrice(double price)     {        //如果strategy为null，系统自动选择OldDiscount类        if (strategy == null)        {            strategy = new OldDiscount();        }        returnthis.strategy.getDiscount(price);     }     //提供切换算法的方法     publicvoid setDiscount(DiscountStrategy strategy)     {        this.strategy = strategy;     } }

测试

publicstaticvoid main(String[] args)     {        //客户端没有选择打折策略类        DiscountContext dc = new DiscountContext(null);        double price1 = 79;        //使用默认的打折策略        System.out.println("79元的书默认打折后的价格是："            + dc.getDiscountPrice(price1));        //客户端选择合适的VIP打折策略        dc.setDiscount(new VipDiscount());        double price2 = 89;        //使用VIP打折得到打折价格        System.out.println("89元的书对VIP用户的价格是："            + dc.getDiscountPrice(price2));     }

使用策略模式可以让客户端代码在不同的打折策略之间切换，但也有一个小小的遗憾：客户端代码需要和不同的策略耦合。为了弥补这个不足，我们可以考虑使用配置文件来指定DiscountContext使用哪种打折策略——这就彻底分离客户端代码和具体打折策略类。

3.7.  门面模式(Facade)

随着系统的不断改进和开发，它们会变得越来越复杂，系统会生成大量的类，这使得程序流程更难被理解。门面模式可为这些类提供一个简化的接口，从而简化访问这些类的复杂性。

       门面模式（Facade）也被称为正面模式、外观模式，这种模式用于将一组复杂的类包装到一个简单的外部接口中。

 

原来的方式

// 依次创建三个部门实例        Payment pay = new PaymentImpl();        Cook cook = new CookImpl();        Waiter waiter = new WaiterImpl();        // 依次调用三个部门实例的方法来实现用餐功能        String food = pay.pay();        food = cook.cook(food);        waiter.serve(food);

门面模式

publicclass Facade {     // 定义被Facade封装的三个部门     Payment pay;     Cook cook;     Waiter waiter;       // 构造器     public Facade() {        this.pay = new PaymentImpl();        this.cook = new CookImpl();        this.waiter = new WaiterImpl();     }       publicvoid serveFood() {        // 依次调用三个部门的方法，封装成一个serveFood()方法        String food = pay.pay();        food = cook.cook(food);        waiter.serve(food);     } }

门面模式调用

Facade f = new Facade();        f.serveFood();

3.8.  桥接模式(Bridge)

由于实际的需要，某个类具有两个以上的维度变化，如果只是使用继承将无法实现这种需要，或者使得设计变得相当臃肿。而桥接模式的做法是把变化部分抽象出来，使变化部分与主类分离开来，从而将多个的变化彻底分离。最后提供一个管理类来组合不同维度上的变化，通过这种组合来满足业务的需要。

Peppery口味风格接口：

publicinterface Peppery {     String style(); }

口味之一

publicclass PepperySytle implements Peppery {     //实现"辣味"风格的方法     public String style()     {        return"辣味很重，很过瘾...";     } }

口味之二

publicclass PlainStyle implements Peppery {     //实现"不辣"风格的方法     public String style()     {        return"味道清淡，很养胃...";     } }

口味的桥梁

publicabstractclass AbstractNoodle {     //组合一个Peppery变量，用于将该维度的变化独立出来     protected Peppery style;     //每份Noodle必须组合一个Peppery对象     public AbstractNoodle(Peppery style)     {        this.style = style;     }     publicabstractvoid eat(); }

材料之一，继承口味

publicclass PorkyNoodle extends AbstractNoodle {     public PorkyNoodle(Peppery style)     {        super(style);     }     //实现eat()抽象方法     publicvoid eat()     {        System.out.println("这是一碗稍嫌油腻的猪肉面条。"            + super.style.style());     } }

材料之二，继承口味

publicclass BeefMoodle extends AbstractNoodle {     public BeefMoodle(Peppery style)     {        super(style);     }     //实现eat()抽象方法     publicvoid eat()     {        System.out.println("这是一碗美味的牛肉面条。"            + super.style.style());     } }

主程序

publicclass Test {     publicstaticvoid main(String[] args)     {        //下面将得到“辣味”的牛肉面        AbstractNoodle noodle1 = new BeefMoodle(            new PepperySytle());        noodle1.eat();        //下面将得到“不辣”的牛肉面        AbstractNoodle noodle2 = new BeefMoodle(            new PlainStyle());        noodle2.eat();        //下面将得到“辣味”的猪肉面        AbstractNoodle noodle3 = new PorkyNoodle(            new PepperySytle());        noodle3.eat();        //下面将得到“不辣”的猪肉面        AbstractNoodle noodle4 = new PorkyNoodle(            new PlainStyle());        noodle4.eat();     } }

Java EE应用中常见的DAO模式正是桥接模式的应用。

实际上，一个设计优良的项目，本身就是设计模式最好的教科书，例如Spring框架，当你深入阅读其源代码时，你会发现这个框架处处充满了设计模式的应用场景。

 

3.9.  观察者模式(Observer)

观察者模式定义了对象间的一对多依赖关系，让一个或多个观察者对象观察一个主题对象。当主题对象的状态发生变化时，系统能通知所有的依赖于此对象的观察者对象，从而使得观察者对象能够自动更新。

在观察者模式中，被观察的对象常常也被称为目标或主题（Subject），依赖的对象被称为观察者（Observer）。

Observer，观察者接口：

publicinterface Observer {     void update(Observable o, Object arg); }

Observable，目标或主题：

import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.Iterator;   publicabstractclass Observable {     // 用一个List来保存该对象上所有绑定的事件监听器     List<Observer> observers = new ArrayList<Observer>();       // 定义一个方法，用于从该主题上注册观察者     publicvoid registObserver(Observer o) {        observers.add(o);     }       // 定义一个方法，用于从该主题中删除观察者     publicvoid removeObserver(Observer o) {        observers.add(o);     }       // 通知该主题上注册的所有观察者     publicvoid notifyObservers(Object value) {        // 遍历注册到该被观察者上的所有观察者        for (Iterator it = observers.iterator(); it.hasNext();) {            Observer o = (Observer) it.next();            // 显式每个观察者的update方法            o.update(this, value);        }     } }

Product被观察类：

publicclass Product extends Observable {     // 定义两个属性     private String name;     privatedoubleprice;       // 无参数的构造器     public Product() {     }       public Product(String name, double price) {        this.name = name;        this.price = price;     }       public String getName() {        returnname;     }       // 当程序调用name的setter方法来修改Product的name属性时     // 程序自然触发该对象上注册的所有观察者     publicvoid setName(String name) {        this.name = name;        notifyObservers(name);     }       publicdouble getPrice() {        returnprice;     }       // 当程序调用price的setter方法来修改Product的price属性时     // 程序自然触发该对象上注册的所有观察者     publicvoid setPrice(double price) {        this.price = price;        notifyObservers(price);     } }

NameObserver名称观察者：

import javax.swing.JFrame; import javax.swing.JLabel;   publicclass NameObserver implements Observer {     // 实现观察者必须实现的update方法     publicvoid update(Observable o, Object arg) {        if (arg instanceof String) {            // 产品名称改变值在name中            String name = (String) arg;            // 启动一个JFrame窗口来显示被观察对象的状态改变            JFrame f = new JFrame("观察者");            JLabel l = new JLabel("名称改变为：" + name);            f.add(l);            f.pack();            f.setVisible(true);            System.out.println("名称观察者:" + o + "物品名称已经改变为: " + name);        }     } }

PriceObserver价格观察者：

publicclass PriceObserver implements Observer {     // 实现观察者必须实现的update方法     publicvoid update(Observable o, Object arg) {        if (arg instanceof Double) {            System.out.println("价格观察者:" + o + "物品价格已经改变为: " + arg);        }     } }

测试：

publicclass Test {     publicstaticvoid main(String[] args) {        // 创建一个被观察者对象        Product p = new Product("电视机", 176);        // 创建两个观察者对象        NameObserver no = new NameObserver();        PriceObserver po = new PriceObserver();        // 向被观察对象上注册两个观察者对象        p.registObserver(no);        p.registObserver(po);        // 程序调用setter方法来改变Product的name和price属性        p.setName("书桌");        p.setPrice(345f);     } }

 

其中Java工具类提供了被观察者抽象基类：java.util.Observable。观察者接口：java.util.Observer。

 

我们可以把观察者接口理解成事件监听接口，而被观察者对象也可当成事件源处理——换个角度来思考：监听，观察，这两个词语之间有本质的区别吗？Java事件机制的底层实现，本身就是通过观察者模式来实现的。除此之外，主题/订阅模式下的JMS本身就是观察者模式的应用。