白话讲解创建型设计模式:单例原型,构建

Posted 山河已无恙

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了白话讲解创建型设计模式:单例原型,构建相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

写在前面

  • 分享一些设计模式的笔记。陆续整理,按照设计模式类型,创建型,结构型,行为型发布
  • 博文会用通俗的话梳理一些自己的理解,结合开发中的实际场景,
  • 理解不足小伙伴帮忙指正,虚心接受 _

傍晚时分,你坐在屋檐下,看着天慢慢地黑下去,心里寂寞而凄凉,感到自己的生命被剥夺了。当时我是个年轻人,但我害怕这样生活下去,衰老下去。在我看来,这是比死亡更可怕的事。--------王小波


在23种设计模式中,创建型的设计模式有了5种,分别为:单例、原型、建造、工厂方法和抽象工厂。

今天要温习的是前三个

单例

关于单例的实现方式,先不讲,聊聊为什么需要单例?单例的优点是什么,有哪些地方使用了单例?

单例用通俗的话讲,即在某个作用域内,不管如何操作,某个类的实例只能是同一个,创建的这种类实例称为单例模式。

为什么需要单例?

  • 一种情况是有些实例没理由重新创建或者丢弃它,它需要一直存在着,同时,在内存里面只有一个实例,可以减少内存开销,频繁的创建和销毁实例需要考虑GC等其他的的问题,比如常见的一些工厂类实例,只是希望通过他来生成一些实例,没必多个实例存在,没必要创建销毁,而且多次重建,编码角度考虑,是很坏的编码,比如一些ORM框架中生成SqlSessionSqlSessionFactory实例,一般使用单例模式或者静态单例模式,粗了减少加载配置的同时,考虑数据库连接数性能问题。

  • 二是某些实例,希望它在整个生命周期内是不可变得,全局唯一的。不管在什么情况下,它的构成能够被严格的控制,可以始终保证他是共享且安全的。同时使用单例可以避免那些存储唯一实例的全局变量污染命名空间。比如Java中某个类对应的class实例,都是单例模式,一个Class实例用于描述一个类加载到内存中的数据,只描述一个类,即一个类只有一个Class实例。同时它没有构造函数,不能主动实例化,而是在类在加载时由java虚拟机通过类加载器中的defineClass自动构造的。

如何实现单例

对于单例,本质的问题是如何保证只能被实例化一次,所以不管如何实现都需要构造函数私有化.或者没有构造函数由JVM自动构造

最简单的实现是饿汉式单例 ,singleton作为类变量并且直接得到了初始化,即类中所有的变量都会被初始化 singleton作为类变量在初始化的过程中会被收集进<clinit>()方法中,虽然这样能够百分之百的保证同步,但是因为不是懒加载,singleton被加载后可能很长一段时间不被使用,即实例所开辟的空间会存在很长时间,内存角度考虑,不是好的实现。

private Singleton() 
private  static final Singleton singleton = new Singleton();
public static  Singleton getInstance()
        return singleton;
  

所以为了实现懒加载,有了懒汉式单例模式,虽然懒汉式可以保证懒加载,但是线程不安全, 当有两个线程访问时,不能保证单例的唯一性

private Singleton() 
private static  Singleton singleton =null;
public static  Singleton getInstance()
    if (singleton == null) 
                singleton = new Singleton();
    
                return singleton;

为了保证线程安全,有了懒汉式+同步方法,即能保证懒加载,又可以保证singleton实例的唯一性,但是synchronizeed关键字的排他性导致getInstance()方法只能在同一时间被一个线程访问。性能低下。

private Singleton() 
private static  Singleton singleton =null;
public static synchronized Singleton getInstance()
        if (singleton == null) 
            singleton = new Singleton();
        
        return singleton;

这个时候,有人对懒汉式+同步方法做了改进,双重校验锁单例(Double-Check)+Volatile ,当有两个线程发现singleton为null时,只有一个线程可以进入到同步代码块里。即满足了懒加载,又保证了线程的唯一性,不加volition的缺点,有时候可能会报NPE,(JVM运行指令重排序),有可能实例实例的变量未完成实例化其他线程去获取到singleton变量。未完成初始化的实例调用其方法会抛出空指针异常。

private Singleton() 

private  static volatile Singleton singleton = null;
public static Singleton getInstance() 

    if (singleton == null)
        synchronized (Singleton.class)
            if (singleton ==null)
                singleton = new Singleton();
            
        
    
    return singleton2;

有人觉得这样写好麻烦,有些有没有简单的写法,当然有,静态内部类单例,静态内部类的单例模式在Singleton类初始化时并不会创建Singleton实例,在静态内部类中定义了singleton实例。 当给静态内部类被主动创建时则会创建Singleton静态变量,是最好的单例模式之一,;类似于静态工厂,将类的创建延迟到静态内部类,外部类的初始化不会实例化静态内部类的静态变量。

private Singleton() 
 
private  static class Singtetons
    private static  Singleton SINGLETON = new Singleton();
   /* static 
         final Singleton SINGLETON = new Singleton();
    */


public static  Singleton getInstance()
    return Singtetons.SINGLETON;

当然还有其他的一些写法,比如基于枚举的单例等,感兴趣小伙伴可以去了解下

原型

为什么需要原型?

原型模式,用通俗的话讲,即在原有实例的基础上创建多个新的实例,减少多实例和复杂实例创建的内存消耗

原型模式享元模式有些类似,都是尝试重用现有的同类实例,但是他们本质是不相同的,原型模式对现有实例的再加工,比如JS里的原型设计,原型链,或者克隆当前实例;而享元模式是对现有实例的重复使用,比如Java里的整形池、字符串池(String Pool),另一个角度,原型是创建型设计模式,而享元是结构型设计模式。

所以可以这样理解记忆,如果希望重用现有实例,再加工或者直接克隆,属于实例创建是原型模式,如果直接使用,属于结构型享元模式。

原型模式一般用于克隆生成实例,会结合工厂模式使用,换一种角度考虑,其实和一种叫写时复制(copy-on-write)的技术特别类似,在容器、虚拟化技术中都有应用。

容器技术中,应用级别考虑,内核共用本身就是一种原型设计,同时一个运行的容器分为镜像层和容器层,这里的镜像层可以理解为原型层,在对容器层的数据进行修改时,如果是update会把文件复制到容器层update,如果是新增会在容器层新增,如果删除,会屏蔽镜像层的文件。如果读取,会在由容器层到镜像层自上而下的查找。

虚拟化技术中,如果系统级别考虑,硬件资源共享本身也是一种原型设计,同时OpenStack 利用其 Glance组件,把虚机的分为原始后端盘和增量前端盘,这里的原始后端盘即可以理解为原型盘,一个标准系统镜像,在创建的虚机里。当修改系统文件的时候,会复制原始的文件到增量盘修改。创建的文件只在增量盘创建

原型设计有许多和抽象工厂建造者一样的效果:它隐藏了具体的实例类,因此减少了实例的数目。可以在运行时刻增加和删除实例,通过改变结构、改变值来指向新的实例。减少了子类的构造,也减少复杂实例的重复构建。

如何实现原型?

整体上讲,原型设计模式的应用有两种:

  • 第一种是通过改变结构、改变值来指向新的实例,把实例中公共的部分作为原型,比如Js实例中的一些事件函数,这种情况下,可以减少对同类实例中相同部分的创建,减少内存开销,比如JS的原型设计
  • 另一种情况是复杂实例的克隆,这种情况一般用于实例构建需要依赖外部数据,涉及第三方数据,比如数据库,IO读取等情况,构建相对复杂耗时,所以把整个实例作为原型,重写克隆方法实现对实例的克隆

这里那JS原生的原型模式Demo来看下。

    // 在原型基础上的新实例
    function Person() 
         this.sex = 'man'; 
      
    // 原型实例   
    Person.prototype = 
          name: 'Nicholas',
          age: 29,
          job: "Software Engineer",
          sayName : function () 
              console.log(this.name)
          
      
      var person1 = new Person(); 
      person1.name = 'liruilong';
      console.log(person1)
     
      var person2 = new Person();
      console.log(person2)
      console.log(person1.sayName == person2.sayName);//true

Person.prototype指向原型,而Person本身即为原型扩展后的实例。通对name的赋值也可以看到,修改属性会直接覆盖原型的值。

[object Object] 
  age: 29,
  job: "Software Engineer",
  name: "liruilong",
  sayName: function () 
              window.runnerWindow.proxyConsole.log(this.name)
          ,
  sex: "man"

[object Object] 
  age: 29,
  job: "Software Engineer",
  name: "Nicholas",
  sayName: function () 
              window.runnerWindow.proxyConsole.log(this.name)
          ,
  sex: "man"

true

关于重写克隆方法的原型设计模式利用,可以通过深度遍历,或者序列化的方式实现,感兴趣小伙伴可以下去了解下

建造者

为什么需要建造者

建造者设计模式也被称为为生成器模式,个人觉得,这是编码中使用最多的一个设计模式了,用通俗的话讲,即使用多个简单的实例一步一步构建成一个复杂的实例,为什么需要建造者,通过建造者,可以将一个复杂的构建与其表示相分离,使得同样的构建过程可以创建不同的表示

通过一个最简单的建造者设计模式应用体会下,比如一个Bean的生成,涉及的属性较多,构造函数很不方便,可以使用建造者设计模式,通setter 方法对属性赋值,返回一个this的方式(区别于传统的setter方法),每个setter 方法的调用即是一次构建,返回的是不同的实例(属性不同)。

public Bulider setD(int d) 
            this.d = d;
            return this;

复杂一点的,比如 Java 中 SpringBoot 系列安全组件 SpringSecurity配置的生成,即通过建造者的设计模式构建了一个配置类,可以有选择通过构建的方式配置鉴权,授权,比如表单验证等,以及各种事件的处理器。关于配置的Demo感兴趣小伙伴可以了解下。

开发中,需要生成一些复杂多变的东西,比如doc,excel等,设计策略较多,利用策略模式往往会有重叠的部分,就可以使用建造者模式来实现。比如这是一个生产中生成复杂Excel的Demo:https://liruilong.blog.csdn.net/article/details/113191009

如何实现建造者

这个一个通过建造者设计模式生成实例的Demo。这样写的好处:

  • 一是相比传统的先使用构造函数生成实例,然后通过setter 方法一个个赋值来讲,他是一个整体,即整个构建过程是一个链式调用,传统的构造方式,构造过程被分配到了个多个setter方法调用中,在构造过程中 Bean 可能处于一种不一致的状态,真的出现这种情况往往很难调试
  • 另一种情况,这样的写法,可以把一个Bean定义为不可变得,而使用传统的形式则很难实现。
package com.liruilong.common.demo;
 
/**
 * @Auther Liruilong
 * @Date 2020/8/4 12:34
 * @Description:
 */
public class Demo 
    private final int a;
    private final int d;
    private Demo(Bulider bulider) 
        a = bulider.a;
        d = bulider.d;
    
    public static class Bulider 
        private int a;
        private int d;
        public Bulider(int a) 
            this.a = a;
        
        public Demo build() 
            return new Demo(this);
        
        public Bulider setA(int a) 
            this.a = a;
            return this;
        
        public Bulider setD(int d) 
            this.d = d;
            return this;
        
    
 
    public static void main(String[] args) 
        Demo build = new Demo.Bulider(3).setD(4).build();
    
 

嗯,创建型前三个设计模式就和小伙伴们分享到这里,之前有时间会陆续分享剩下的2个,生活加油

博文参考


  • 《Java并发编程详解》
  • javascript高级程序设计》(第3版)
  • 《Effective Java》 (中文版第3版)
  • 《Head First设计模式》(中文版)
  • 《设计模式 可复用面向对象软件的基础》(中文版)

以上是关于白话讲解创建型设计模式:单例原型,构建的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

设计模式-创建型模式讲解(单例原型工厂方法抽象工厂建造者)

设计模式系列原型模式

chatGPT教你设计模式[3] ——创建型模式(单例模式建造者模式和原型模式)

chatGPT教你设计模式[3] ——创建型模式(单例模式建造者模式和原型模式)

chatGPT教你设计模式[3] ——创建型模式(单例模式建造者模式和原型模式)

创建型设计模式