Java学习--设计模式之结构型模式

Posted 2020-11-19 IVEGOTNOIDEA

设计模式之结构型模式简介

一、简介

　　结构型模式：这些设计模式关注类和对象的组合。继承的概念被用来组合接口和定义组合对象获得新功能的方式。结构型模式包括：适配器模式（Adapter Pattern）、桥接模式（Bridge Pattern）、过滤器模式（Filter、Criteria Pattern）、组合模式（Composite Pattern）、装饰器模式（Decorator Pattern）、外观模式（Facade Pattern）、享元模式（Flyweight Pattern）、代理模式（Proxy Pattern）。

 

二、适配器模式（Adapter Pattern）

　　1、概念

　　　适配器模式（Adapter Pattern）是作为两个不兼容的接口之间的桥梁。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不兼容的接口功能。举个真实的例子，读卡器是作为内存卡和笔记本之间的适配器。您将内存卡插入读卡器，再将读卡器插入笔记本，这样就可以通过笔记本来读取内存卡。

　　2、简介

　　　意图：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。

　　　何时使用： 

　　　　（1）、系统需要使用现有的类，而此类的接口不符合系统的需要。

　　　　（2）、想要建立一个可以重复使用的类，用于与一些彼此之间没有太大关联的类，包括一些可能在将来引进的类一起工作，这些源类不一定有一致的接口。

　　　　（3）、通过接口转换，将一个类插入另一个类系中。（比如老虎和飞禽，现在多了一个飞虎，在不增加实体的需求下，增加一个适配器，在里面包容一个虎对象，实现飞的接口。）

　　　如何解决：继承或依赖（推荐）。

　　　关键代码：适配器继承或依赖已有的对象，实现想要的目标接口。

　　　优点： 

　　　　（1）、可以让任何两个没有关联的类一起运行。

　　　　（2）、提高了类的复用。

　　　　（3）、增加了类的透明度。

　　　　（4）、灵活性好。

　　　缺点： 

　　　　（1）、过多地使用适配器，会让系统非常零乱，不易整体进行把握。比如，明明看到调用的是 A 接口，其实内部被适配成了 B 接口的实现，一个系统如果太多出现这种情况，无异于一场灾难。因此如果不是很有必要，可以不使用适配器，而是直接对系统进行重构。

　　　　（2）、由于 JAVA 至多继承一个类，所以至多只能适配一个适配者类，而且目标类必须是抽象类。

　　　使用场景：有动机地修改一个正常运行的系统的接口，这时应该考虑使用适配器模式。

　　　注意事项：适配器不是在详细设计时添加的，而是解决正在服役的项目的问题。

　　3、实例

　　　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。演示类 AdapterPatternDemo，我们的演示类使用 AudioPlayer 类来播放各种格式。

　　　　

　　　　（1）、为媒体播放器和更高级的媒体播放器创建接口 MediaPlayer 和 AdvancedMediaPlayer。

public interface MediaPlayer {
   public void play(String audioType, String fileName);
}

public interface AdvancedMediaPlayer {    
   public void playVlc(String fileName);
   public void playMp4(String fileName);
}

　　　　（2）、创建实现了 AdvancedMediaPlayer 接口的实体类。

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
   }
}

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);        
   }
}

　　　　（3）、创建实现了 MediaPlayer 接口的适配器类。

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);
      }
   }
}

　　　　（4）、创建实现了 MediaPlayer 接口的实体类。

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");
      }
   }   
}

　　　　（5）、使用 AudioPlayer 来播放不同类型的音频格式。

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");
   }
}

　　　　（6）、演示结果

1 Playing mp3 file. Name: beyond the horizon.mp3
2 Playing mp4 file. Name: alone.mp4
3 Playing vlc file. Name: far far away.vlc
4 Invalid media. avi format not supported

 

三、桥接模式（Bridge Pattern）

　　1、概念

　　　桥接（Bridge）是用于把抽象化与实现化解耦，使得二者可以独立变化。这种类型的设计模式属于结构型模式，它通过提供抽象化和实现化之间的桥接结构，来实现二者的解耦。这种模式涉及到一个作为桥接的接口，使得实体类的功能独立于接口实现类。这两种类型的类可被结构化改变而互不影响。

　　2、简介

　　　意图：将抽象部分与实现部分分离，使它们都可以独立的变化。

　　　主要解决：在有多种可能会变化的情况下，用继承会造成类爆炸问题，扩展起来不灵活。

　　　如何解决：把这种多角度分类分离出来，让它们独立变化，减少它们之间耦合。

　　　关键代码：抽象类依赖实现类。

　　　优点： 

　　　　（1）、抽象和实现的分离。

　　　　（2）、优秀的扩展能力。

　　　　（3）、实现细节对客户透明。

　　　缺点：桥接模式的引入会增加系统的理解与设计难度，由于聚合关联关系建立在抽象层，要求开发者针对抽象进行设计与编程。

　　　使用场景： 

　　　　（1）、如果一个系统需要在构件的抽象化角色和具体化角色之间增加更多的灵活性，避免在两个层次之间建立静态的继承联系，通过桥接模式可以使它们在抽象层建立一个关联关系。

　　　　（2）、对于那些不希望使用继承或因为多层次继承导致系统类的个数急剧增加的系统，桥接模式尤为适用。

　　　　（3）、一个类存在两个独立变化的维度，且这两个维度都需要进行扩展。

　　　注意事项：对于两个独立变化的维度，使用桥接模式再适合不过了。

 

　　3、实例

　　　我们有一个作为桥接实现的 DrawAPI 接口和实现了 DrawAPI 接口的实体类 RedCircle、GreenCircle。Shape 是一个抽象类，将使用 DrawAPI 的对象。演示类 BridgePatternDemo，我们的演示类使用 Shape 类来画出不同颜色的圆。

 　　　　

　　　　（1）、创建桥接实现接口

public interface DrawAPI {
   public void drawCircle(int radius, int x, int y);
}

　　　　（2）、创建实现了 DrawAPI 接口的实体桥接实现类。

public class RedCircle implements DrawAPI {
   @Override
   public void drawCircle(int radius, int x, int y) {
      System.out.println("Drawing Circle[ color: red, radius: " + radius +", x: " +x+", "+ y +"]");
   }
}

public class GreenCircle implements DrawAPI {
   @Override
   public void drawCircle(int radius, int x, int y) {
      System.out.println("Drawing Circle[ color: green, radius: " + radius +", x: " +x+", "+ y +"]");
   }
}

　　　　（3）、使用 DrawAPI 接口创建抽象类 Shape。

public abstract class Shape {
   protected DrawAPI drawAPI;
   protected Shape(DrawAPI drawAPI){
      this.drawAPI = drawAPI;
   }
   public abstract void draw();    
}

　　　　（4）、创建实现了 Shape 接口的实体类。

public class Circle extends Shape {
   private int x, y, radius;

   public Circle(int x, int y, int radius, DrawAPI drawAPI) {
      super(drawAPI);
      this.x = x;  
      this.y = y;  
      this.radius = radius;
   }

   public void draw() {
      drawAPI.drawCircle(radius,x,y);
   }
}

　　　　（5）、使用 Shape 和 DrawAPI 类画出不同颜色的圆。

public class BridgePatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      Shape redCircle = new Circle(100,100, 10, new RedCircle());
      Shape greenCircle = new Circle(100,100, 10, new GreenCircle());

      redCircle.draw();
      greenCircle.draw();
   }
}

　　　　（6）、演示结果

1 Drawing Circle[ color: red, radius: 10, x: 100, 100]
2 Drawing Circle[ color: green, radius: 10, x: 100, 100]

 

 四、过滤器模式（Filter、Criteria Pattern）

　　1、概念

　　　过滤器模式（Filter Pattern）或标准模式（Criteria Pattern）是一种设计模式，这种模式允许开发人员使用不同的标准来过滤一组对象，通过逻辑运算以解耦的方式把它们连接起来。这种类型的设计模式属于结构型模式，它结合多个标准来获得单一标准。

 　　2、实现

　　　我们将创建一个 Person 对象、Criteria 接口和实现了该接口的实体类，来过滤 Person 对象的列表。演示类 CriteriaPatternDemo，我们的演示类使用 Criteria 对象，基于各种标准和它们的结合来过滤 Person 对象的列表。

　　　　

　　　　（1）、创建一个类，在该类上应用标准。

public class Person {
    
   private String name;
   private String gender;
   private String maritalStatus;

   public String getName() {
      return name;
   }
   public String getGender() {
      return gender;
   }
   public String getMaritalStatus() {
      return maritalStatus;
   } 
   public void setName(String name) {
      this.name=name;
   }
   public void setGender(String gender) {
      this.gender=gender;
   }
   public void setMaritalStatus(String maritalStatus) {
      this.maritalStatus=maritalStatus;
   } 

   public Person(String name,String gender,String maritalStatus){
      this.name = name;
      this.gender = gender;
      this.maritalStatus = maritalStatus;        
   }   
}

　　　　（2）、为标准（Criteria）创建一个接口。

import java.util.List;

public interface Criteria {
   public List<Person> meetCriteria(List<Person> persons);
}

　　　　（3）、创建实现了 Criteria 接口的实体类。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class CriteriaMale implements Criteria {

   @Override
   public List<Person> meetCriteria(List<Person> persons) {
      List<Person> malePersons = new ArrayList<Person>(); 
      for (Person person : persons) {
         if(person.getGender().equalsIgnoreCase("MALE")){
            malePersons.add(person);
         }
      }
      return malePersons;
   }
}

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class CriteriaFemale implements Criteria {

   @Override
   public List<Person> meetCriteria(List<Person> persons) {
      List<Person> femalePersons = new ArrayList<Person>(); 
      for (Person person : persons) {
         if(person.getGender().equalsIgnoreCase("FEMALE")){
            femalePersons.add(person);
         }
      }
      return femalePersons;
   }
}

　　　　（4）、使用不同的标准（Criteria）和它们的结合来过滤 Person 对象的列表。

import java.util.ArrayList; 
import java.util.List;

public class CriteriaPatternDemo {
   public static void main(String[] args) {
      List<Person> persons = new ArrayList<Person>();

      persons.add(new Person("Robert","Male", "Single"));
      persons.add(new Person("John","Male", "Married"));
      persons.add(new Person("Laura","Female", "Married"));
      persons.add(new Person("Diana","Female", "Single"));
      persons.add(new Person("Mike","Male", "Single"));
      persons.add(new Person("Bobby","Male", "Single"));

      Criteria male = new CriteriaMale();
      Criteria female = new CriteriaFemale();

      System.out.println("Males: ");
      printPersons(male.meetCriteria(persons));

      System.out.println("\\nFemales: ");
      printPersons(female.meetCriteria(persons));
   }

   public static void printPersons(List<Person> persons){
      for (Person person : persons) {
         System.out.println("Person : [ Name : " + person.getName() 
            +", Gender : " + person.getGender() 
            +", Marital Status : " + person.getMaritalStatus()
            +" ]");
      }
   }      
}

　　　　（5）、验证输出

1 Males: 
2 Person : [ Name : Robert, Gender : Male, Marital Status : Single ]
3 Person : [ Name : John, Gender : Male, Marital Status : Married ]
4 Person : [ Name : Mike, Gender : Male, Marital Status : Single ]
5 Person : [ Name : Bobby, Gender : Male, Marital Status : Single ]
6 
7 Females: 
8 Person : [ Name : Laura, Gender : Female, Marital Status : Married ]
9 Person : [ Name : Diana, Gender : Female, Marital Status : Single ]

 

五、组合模式（Composite Pattern）

　　1、概念

　　　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。

 

　　2、简介

　　　意图：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。

　　　主要解决：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。

　　　何时使用： 

　　　　（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。

　　　如何解决：树枝和叶子实现统一接口，树枝内部组合该接口。

　　　应用实例： 

　　　　（1）、算术表达式包括操作数、操作符和另一个操作数，其中，另一个操作符也可以是操作数、操作符和另一个操作数。

　　　　（2）、在 JAVA AWT 和 SWING 中，对于 Button 和 Checkbox 是树叶，Container 是树枝。

　　　优点： 

　　　　（1）、高层模块调用简单。

　　　　（2）、节点自由增加。

　　　缺点：在使用组合模式时，其叶子和树枝的声明都是实现类，而不是接口，违反了依赖倒置原则。

　　　注意事项：定义时为具体类。

　　3、实例

　　　我们有一个类 Employee，该类被当作组合模型类。演示类 CompositePatternDemo，我们的演示类使用 Employee 类来添加部门层次结构，并打印所有员工。

　　　　

　　　　（1）、创建 Employee 类，该类带有 Employee 对象的列表。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class Employee {
   private String name;
   private String dept;
   private int salary;
   private List<Employee> 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<Employee>();
   }

   public void add(Employee e) {
      subordinates.add(e);
   }

   public void remove(Employee e) {
      subordinates.remove(e);
   }

   public List<Employee> getSubordinates(){
     return subordinates;
   }

   public String toString(){
      return ("Employee :[ Name : "+ name 
      +", dept : "+ dept + ", salary :"
      + salary+" ]");
   }   
}

　　　　（2）、使用 Employee 类来创建和打印员工的层次结构。

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);
         }
      }        
   }
}

　　　　（3）、演示结果

1 Employee :[ Name : John, dept : CEO, salary :30000 ]
2 Employee :[ Name : Robert, dept : Head Sales, salary :20000 ]
3 Employee :[ Name : Richard, dept : Sales, salary :10000 ]
4 Employee :[ Name : Rob, dept : Sales, salary :10000 ]
5 Employee :[ Name : Michel, dept : Head Marketing, salary :20000 ]
6 Employee :[ Name : Laura, dept : Marketing, salary :10000 ]
7 Employee :[ Name : Bob, dept : Marketing, salary :10000 ]

 

 

PS：因作者能力有限，如有误还请谅解；