Java面试16|设计模式
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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Java面试16|设计模式相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
1、单例模式：
确保一个类只有一个实例，而且自行实例化并向整个系统提供这个实例。
单例模式有以下几个要素：
- 私有的构造方法
- 指向自己实例的私有静态引用
- 以自己实例为返回值的静态的公有的方法
单例模式根据实例化对象时机的不同分为两种：一种是饿汉式单例，一种是懒汉式单例。饿汉式单例在单例类被加载时候，就实例化一个对象交给自己的引用；而懒汉式在调用取得实例方法的时候才会实例化对象。
饿汉式：
public class Singleton_Simple {
private static final Singleton_Simple simple = new Singleton_Simple();
private Singleton_Simple(){}
public static Singleton_Simple getInstance(){
return simple;
}
}
懒汉式：
//双锁机制
class Singleton {
private volatile static Singleton singleton;
public static Singleton getInstance() {
if (singleton == null) {
synchronized (Singleton.class) { // 由于每次调用都需要进行同步，所以可以在前面进行判断即可提高效率，同时注意使用的是Singleton.class的类锁
if (singleton == null) {
singleton = new Singleton();
}
}
}
return singleton;
}
}
为了提高效率。我们可以用double check机制，现在来看两个问题：
（1）为何用double check的检测机制？
由于两个线程都可以通过第一重的判断 ，进入后，由于存在锁机制，所以会有一个线程进入同步块和第二重判断，而另外的一个线程在同步块处阻塞。
当第一个线程退出同步代码块后，第二个进入，没有经过第二重判断，保证了单例。所以这里必须要使用双重检查锁定。
其实没有第一重的判断，我们也可以实现单例，只是为了考虑性能问题。
（2）为何要对实例变量加volatile关键字？
1.为对象分配内存
2.初始化实例对象
3.把引用instance指向分配的内存空间
ps:对象创建可参看《深入理解Java虚拟机》第44页
这个三个步骤并不能保证按序执行，处理器会进行指令重排序优化，存在这样的情况：
优化重排后执行顺序为：1,3,2, 这样在线程1执行到3时，instance已经不为null了，线程2此时判断instance!=null，则直接返回instance引用，但现在实例对象还没有初始化完毕，此时线程2使用instance可能会造成程序崩溃。
现在要解决的问题就是怎样限制处理器进行指令优化重排。
volatile的作用：
（1）volatile变量不会以被缓存到寄存器或者对其它处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总是返回最新写入的值。
（2）volatile关键字能够通过提供内存屏障，来保证某些指令顺序处理器不能够优化重排，编译器在生成字节码时，会在指令序列中插入内存屏障来禁止特定类型的处理器重排序。
JVM会对分配内存空间的动作进行同步处理。
（1）可能实际上采用CAS（Compare And Set）配上失败重试的方式保证更新操作的原子性
（2）把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行。就是每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，
参考Java虚拟机第45页
其实还有种写法，如下：
public class Singleton {
private static class SingletonClassInstance { // 私有静态内部类
// 可能是final解决了并发的问题，基本类型声明就可，但是对象类型时，这个对象不能有状态，
// 如果有状态，则一定要声明为final,例如String类就是一个不可变类
private static final Singleton instance = new Singleton();
}
public static Singleton getInstance() {
return SingletonClassInstance.instance; // 只在这里调用了静态内部类，私有属性让他人无法使用这个类型
}
private Singleton() { }
}
由于Singletom没有static属性且SingletonClassInstance是私有静态内部类，不会被其他类调用，所以不会被提前初始化，实现了懒汉式的构造实例。
重点要知道为什么静态内部类能保证单例：因为只有一个线程去初始化这个类，在初始化后static final就是一个常量了，当然线程安全了。
其在实际中有重要的应用，如：
2、迭代器模式：
提供一种方法访问一个容器对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部细节
interface Iterable{
public Iterator iterator();
}
interface Aggregate extends Iterable{
public void add(Object obj);
public void remove(Object obj);
public Iterator iterator();
}
class ConcreteAggregate implements Aggregate {
private List list = new ArrayList();
public void add(Object obj) {
list.add(obj);
}
public Iterator iterator() {
return new ConcreteIterator(list);
}
public void remove(Object obj) {
list.remove(obj);
}
}
调用iterator()方法后返回一个Iterator迭代器，实现如下：
interface Iterator {
public Object next();
public boolean hasNext();
}
class ConcreteIterator implements Iterator {
private List list = new ArrayList();
private int cursor = 0;
public ConcreteIterator(List list) {
this.list = list;
}
public boolean hasNext() {
if (cursor == list.size()) {
return false;
}
return true;
}
public Object next() {
Object obj = null;
if (this.hasNext()) {
obj = this.list.get(cursor++);
}
return obj;
}
}
测试一下：
Aggregate ag = new ConcreteAggregate();
ag.add("小明");
ag.add("小红");
ag.add("小刚");
Iterator it = ag.iterator();
while (it.hasNext()) {
String str = (String) it.next();
System.out.println(str);
}
3、组合设计模式：
蜜蜂是昆虫：继承实现
蜜蜂有向前移动后攻击人的行为：组合实现
昆虫：
class Insect {
private String name;
public Insect(String name) {
this.name = name;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
攻击行为：
interface Attack {
public void move();
public void attack();
}
class AttackImpl implements Attack {
private String move;
private String attack;
public Attack Impl(String move, String attack) {
this.move = move;
this.attack = attack;
}
@Override
public void move() {
System.out.println(move);
}
@Override
public void attack() {
move();
System.out.println(attack);
}
}
蜜蜂是昆虫，有向前一步攻击人的属性：
class Bee extends Insect implements Attack {
private Attack attack;
public Bee(String name, Attack attack) {
super(name);
this.attack = attack;
}
public void move() {
attack.move();
}
public void attack() {
attack.attack();
}
}
由于继承机制太过依赖于父类的实现细节，如果父类变动，则子类也会跟着变动，这是糟糕的。
4、策略设计模式：
// Different types of function objects:
interface Combiner<T> {
T combine(T x, T y);
}
public class Functional {
// Calls the Combiner object on each element to combine
// it with a running result, which is finally returned:
public static <T> T reduce(Iterable<T> seq, Combiner<T> combiner) {
Iterator<T> it = seq.iterator();
if (it.hasNext()) {
T result = it.next();
while (it.hasNext()){
result = combiner.combine(result, it.next());
}
return result;
}
// If seq is the empty list:
return null; // Or throw exception
}
// To use the above generic methods, we need to create
// function objects to adapt to our particular needs:
static class IntegerAdder implements Combiner<Integer> {
public Integer combine(Integer x, Integer y) {
return x + y;
}
}
static class IntegerSubtracter implements Combiner<Integer> {
public Integer combine(Integer x, Integer y) {
return x - y;
}
}
static class BigIntegerAdder implements Combiner<BigInteger> {
public BigInteger combine(BigInteger x, BigInteger y) {
return x.add(y);
}
}
public static void main(String[] args) {
// Generics, varargs & boxing working together:
List<Integer> li = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7);
Integer result = reduce(li, new IntegerAdder());
print(result); // 28
result = reduce(li, new IntegerSubtracter());
print(result);
// Use the prime-generation facility of BigInteger:
List<BigInteger> lbi = new ArrayList<BigInteger>();
BigInteger bi = BigInteger.valueOf(11);
for (int i = 0; i < 11; i++) {
lbi.add(bi);
bi = bi.nextProbablePrime();
}
print(lbi);
BigInteger rbi = reduce(lbi, new BigIntegerAdder());
print(rbi);
}
}
如上例子参考了Java编程思想关于泛型实现策略模式的例子。
5、原型设计模式
class bottle implements Cloneable {
public Wine wine;
public bottle(Wine wn) {
this.wine = wn;
}
// 覆写clone()方法
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
bottle newBottle = (bottle) super.clone();
newBottle.wine = (Wine) wine.clone();
return newBottle;
}
}
class Wine implements Cloneable {
int degree;
String name="法国白兰地"; // 字符串虽然是引用类型，但是新对象中修改时并不会影响到原对象值
public int getDegree() {
return degree;
}
public void setDegree(int degree) {
this.degree = degree;
}
// 覆写clone()方法
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
下面来总结一下各个设计模式在Java中的具体应用。
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结构型模式 |
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单例模式（Single Pattern） |
1、Log4j中将日志输出到一个文件中必须使用单例模式，否则会覆盖文件的原有内容 2、数据库连接池中的应用 |
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工厂模式（Factory） |
Spring工厂模式：通过XML文件或Java注解来表示Bean之间的依赖关系，很少直接new一个类进行代码编写 |
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建造者模式（Builder） |
Struts2中创建容器（Container）对象 |
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原型模式（Protype） |
Java的克隆clone() |
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结构型模式 |
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适配器模式（Adapter） |
1、在Java的I/O类库中，StringReader将一个String类适配到Reader接口，InputStreamReader将InputStream适配到Reader类。 2、在Spring中的AOP中，由于Advisor需要的是MethodInterceptor对象，所以每一个Advisor中的Advice都要配成对应的MethodInterceptor对象。 |
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桥接模式（Bridge） |
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装饰模式（Decorator） |
1、Collections.synchronizedList例子也是一个装饰器模式 2、装饰器在Junit中的应用。TestDecorator是Test的装饰类，其TestDecorator有一些扩展功能的子类。如RepeatedTest类，TestSetup类等 3、一般情况下，需要使用FileReader和StringReader，如果要增加缓存功能的类有很多，那么子类也就需要很多，所以Java就使用了装饰模式，BufferedReader就是这样的装饰类。其实Java I/O 库中的所有输入流、输出流的类都采用了装饰器模式，它们可以无限次地进行装饰转换，转换的目的就是得到自己想要的数据类型的流对象
优点：动态扩展类功能属性，而无需通过继承层次结构实现，更方便灵活给类添加职责 |
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组合模式（Composite） |
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外观模式（Fa?ade） |
1、在Spring中已经提供了很好的封装，在org.springframework.jdbc.support包下提供的JdbcUtils类就是这样的工具类 2、在Hibernate的配置工作中，有一个Configuration类，负责管理运行时需要的一些信息 |
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享元模式（Flyweight） |
1、数据据连接池是享元模式的重要应用 2、在Java中，对于基本类型和字符串类型的实现就采用了享元模式 |
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代理模式（Proxy） |
1、在Spring中已经提供了很好的封装，在org.springframework.jdbc.support包下提供的JdbcUtils类就是这样的工具类 2、在Hibernate的配置工作中，有一个Configuration类，负责管理运行时需要的一些信息 |
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行为型模式 |
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模版方法模式（Template Method） |
1、在Junit中的TestCase类中 2、在MVC框架的HttpServlet中 3、Spring采用开放式的处理方式，在使用JpaTemplate时，只需要处理具体的SQL语句即可，而创建连接、关闭连接等方法都不需要编写代码，因为不管理是哪种持久层的操作应运，其创建和关闭连接都是一致的，按照相同的顺序执行，这就是模板方法模式的应用 |
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命令模式（Command ）
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命令模式在Struts２中的应用。其中action就是命令模式中命令接口，ActionInvocation就是命令模式中命令的调用者 |
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迭代器模式（Iterator ） |
java中的Collection、List、Set、Map等，这些集合都有自己的迭代器。 |
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观察者模式（Oberver Pattern） |
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中介者模式（Mediator） |
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备忘录模式（Memento） |
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解释器模式（Interpreter） |
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状态模式（State） |
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职责链模式（Chain of Responsibility） |
责任链在Struts2中的拦截器上有重要应用 |
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策略模式（Strategy） |
1、策略模式允许在程序执行时选择不同的算法.比如在排序时,传入不同的比较器(Comparator),就采用不同的算法 2、Spring的Resource实现思想是典型的策略模式的应用 |
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访问者模式（Visitor） |
1、javac中关于语法树各个节点的语义分析就使用访问者模式来实现的 |
以上是关于Java面试16|设计模式的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章