设计模式之单例和原型

Posted 2022-07-30 程序员田同学

今天这篇文章我们来学习创建型设计模式的另外两个孪生兄弟，单例和原型，其中原型设计模式中我们深入到JVM的内存模型，最后顺便谈谈Java中的值传递和引用传递。

上篇文章老王买产品 我们从最原始的基本实现方法，到简单（静态）工厂，然后使用工厂方法设计模式进行改造，最后考虑产品会产生变体，我们又扩展到了抽象工厂。

设计模式所有的相关代码均已上传到码云 读者可以自行下载学习测试。

一、引出问题

今天老王又来了，还是想买我们的产品，今天老王上老就提出来一个要求，当他购买产品的时候，每次都要从货架上给他拿相同的一个。

如果用传统实现方式，当老王拿到产品以后，直接和上一个比对一下就行了，如果不一致老王就还回来。

但通过我们查阅软件的七大设计原则 ，这很明显违反了依赖倒置原则，为了避免耦合和让代码更易于维护，老王是不能依赖具体产品的。

二、单例

我们就需要将产品比对在创建产品的时候进行判断，老王就只管拿。

老王来之前应该还有两种情况，一种就是老王还没来，产品就准备好了，也即饿汉式。第二种就是老王什么时候来，什么时候给他准备产品，也即懒汉式。

我们看具体的实现代码：

懒汉式：

/**
 * 懒汉式
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class LazySingletonProduct 

    private static volatile LazySingletonProduct instance=null;

    private LazySingletonProduct()

    public static synchronized LazySingletonProduct getInstance()
        if (instance==null)
            instance=new LazySingletonProduct();

        
        return instance;
    

饿汉式：

/**
 * 饿汉式
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class HungrySingletonProduct 
    private static volatile HungrySingletonProduct instance=new HungrySingletonProduct();

    private HungrySingletonProduct();

    public static synchronized HungrySingletonProduct getInstance()
        if (instance==null)
            instance=new HungrySingletonProduct();
        
        return instance;
    

老王类：

/**
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class Client 
    public static void main(String[] args) 
        HungrySingletonProduct instance1 = HungrySingletonProduct.getInstance();
        HungrySingletonProduct instance2 = HungrySingletonProduct.getInstance();

        if (instance1==instance2)
            System.out.println("我俩一样...");
        else 
            System.out.println("我俩不一样...");
        
    

以上就是单例设计模式中的懒汉式和饿汉式，应该是设计模式中最简单的一个，理解起来难度也不大。

为了克服老王和他儿子小王一起来拿错的尴尬，我们在方法上加synchronized锁，对象引用上加volatile共享变量，但这样会带来效率问题，如果不考虑多线程需求，读者可自行去掉。

三、原型

老王今天很明显是找茬，他继续说，如果我不想要一个了，我要每次买都要不同的，你看着办。

每次创建产品都要不同的，传统的方式肯定就是重新new一个对象，但每创建一个对象都是一个复杂的过程，而且这样还会带来一定的代码冗余。

这就需要用到创建型设计模式中的原型模式中的拷贝，其中又分为浅拷贝和深拷贝。

我们先看基本概念。

• 浅克隆：创建一个新对象,对象种属性和原来对象的属性完全相同,对于非基本类型属性仍指向原有属性所指向的内存地址
• 深克隆：创建一个新对象,属性中引用类型也会被克隆,不再指向原来属性所指向的内存地址

这段意思也就是，老王购买产品的时候，如果产品都是基本数据类型（byte（位）、short（短整数）、int（整数）、long（长整数）、float（单精度）、double（双精度）、char（字符）和boolean（布尔值））和String,那么我们就使用浅拷贝。

如果产品包括别的产品（对象）的引用类型就要使用深拷贝。

如果想搞明白，为什么造成深拷贝和浅拷贝这个问题，我们就要重点说说JVM的内存模型。

我们声明一个基本数据类型的变量a=2，实际上是在栈中直接存储了一个a=2，当拷贝的时候直接把值拷贝过去，也就是直接有了一份a的副本。

当我们创建一个对象时Student stu=new Student()，实际上对象的值存储在堆中，在栈中只存放了stu="对象地址"，stu指向了堆中的地址，jvm拷贝的时候只复制了栈中的地址，实际上他们堆中的对象还是一个。

我们再来看String类型。String 存在于堆内存、常量池；这种比较特殊, 传递是引用地址；由本身的final性, 每次赋值都是一个新的引用地址，原对象的引用和副本的引用互不影响。因此String就和基本数据类型一样,表现出了"深拷贝"特性。

我们具体看实现代码：

浅拷贝类：

/**
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class ShallowProduct implements Cloneable

    private String name;

    private int num;

    public void show()
        System.out.println("这是浅产品..."+name+"数量："+num);
    

    public String getName() 
        return name;
    

    public ShallowProduct setName(String name) 
        this.name = name;
        return this;
    

    public int getNum() 
        return num;
    

    public ShallowProduct setNum(int num) 
        this.num = num;
        return this;
    

    @Override
    public ShallowProduct clone() throws CloneNotSupportedException 
        return (ShallowProduct) super.clone();
    

如果需要哪个对象浅拷贝，需要该对象实现Cloneable接口，并重写clone()方法。

public void shallowTest()throws CloneNotSupportedException
    ShallowProduct product1=new ShallowProduct();
    ShallowProduct product2 = product1.clone();
    product1.setName("老王");
    product2.setName("老李");

    product1.setNum(1);
    product2.setNum(2);

    product1.show();

    product2.show();

调用时输出的对象中的值直接就是两个不同的对象，实现了对象的浅拷贝。

如果该对象中包括引用类型呢?那怎么实现呢。

其实原理上也是很简单的，只需要将非基本数据类型也像浅拷贝那样操做就行了，然后在当前clone()方法中，调用非基本数据类型的clone()方法

深拷贝引用类：

/**
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class Child implements Cloneable

    private String childName;

    public String getChildName() 
        return childName;
    

    public Child setChildName(String childName) 
        this.childName = childName;
        return this;
    

    @Override
    protected Child clone() throws CloneNotSupportedException 
        return (Child) super.clone();
    

深拷贝类：

/**
 * @author tcy
 * @Date 29-07-2022
 */
public class DeepProduct implements Cloneable

    private String name;

    private Integer num;

    private Child child;
    public String getName() 
        return name;
    

    public DeepProduct setName(String name) 
        this.name = name;
        return this;
    

    public Integer getNum() 
        return num;
    

    public DeepProduct setNum(Integer num) 
        this.num = num;
        return this;
    

    public void show()
        System.out.println("这是深产品..."+name+"数量："+num+"包括child:"+child.getChildName());
    

    @Override
    public DeepProduct clone() throws CloneNotSupportedException 
        DeepProduct clone = (DeepProduct) super.clone();
        clone.child=child.clone();
        return clone;
    

    public Child getChild() 
        return child;
    

    public DeepProduct setChild(Child child) 
        this.child = child;
        return this;
    

我们测试一下对象中的值是否发生了改变。

public void deepTest() throws CloneNotSupportedException 
    DeepProduct product1=new DeepProduct();
    Child child=new Child();
    child.setChildName("老王child");

    product1.setName("老王");
    product1.setNum(1);
    product1.setChild(child);

    //--------------
    DeepProduct product2=product1.clone();
    product2.setName("老李");
    product2.setNum(2);
    product2.getChild().setChildName("老李child");

    product1.show();
    product2.show();

老李、老王都正确的输出了，说明实现没有问题。

这样就符合了老王的要求。

既然说到了jvm的内存模型，就有必要说一下java中的值传递和引用传递。

实际上java应该就是值传递，在调用方法的时候，如果参数是基本数据类型，那么传递的就是副本，我们在方法中无论怎么给他赋值，他原本的值都不会有变化。

在调用方法的时候，如果参数是引用数据类型，那么传递的就是这个对象的地址，我们在方法中修改这个对象都会影响他原本的对象。

造成这个现象的原因其实是和浅拷贝、深拷贝的原理是一样的，都是栈、堆内存的结构导致的。

老王看他的要求都满足了，最后心满意足的拿着产品走了。