Java Design Patterns

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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 Design Patterns相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

设计模式（Design pattern）是一套被反复使用、多数人知晓的、经过分类编目的、代码设计经验的总结。使用设计模式是为了可重用代码、让代码更容易被他人理解、保证代码可靠性。 毫无疑问，设计模式于己于他人于系统都是多赢的，设计模式使代码编制真正工程化，设计模式是软件工程的基石，如同大厦的一块块砖石一样。项目中合理的运用设计模式可以完美的解决很多问题，每种模式在现在中都有相应的原理来与之对应，每一个模式描述了一个在我们周围不断重复发生的问题，以及该问题的核心解决方案，这也是它能被广泛应用的原因。

一、设计模式的分类

总体来说设计模式分为三大类：

创建型模式，共五种：工厂方法模式、抽象工厂模式、单例模式、建造者模式、原型模式。

结构型模式，共七种：适配器模式、装饰器模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。

行为型模式，共十一种：策略模式、模板方法模式、观察者模式、迭代子模式、责任链模式、命令模式、备忘录模式、状态模式、访问者模式、中介者模式、解释器模式。

其实还有两类：并发型模式和线程池模式。用一个图片来整体描述一下：

技术图片

几种常用的设计模式介绍:

一、工厂方法模式（Factory Method）

工厂方法模式分为三种：

1.1、普通工厂模式，就是建立一个工厂类，对实现了同一接口的一些类进行实例的创建。首先看下关系图：

技术图片

举例如下：（我们举一个发送邮件和短信的例子）

首先，创建二者的共同接口：

 

java] view plaincopy
 
 
 
  1. public interface Sender {  
  2.     public void Send();  
  3. }  

 

其次，创建实现类：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class MailSender implements Sender {  
  2.     @Override  
  3.     public void Send() {  
  4.         System.out.println("this is mailsender!");  
  5.     }  
  6. }  
[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SmsSender implements Sender {  
  2.   
  3.     @Override  
  4.     public void Send() {  
  5.         System.out.println("this is sms sender!");  
  6.     }  
  7. }  

最后，建工厂类：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SendFactory {  
  2.   
  3.     public Sender produce(String type) {  
  4.         if ("mail".equals(type)) {  
  5.             return new MailSender();  
  6.         } else if ("sms".equals(type)) {  
  7.             return new SmsSender();  
  8.         } else {  
  9.             System.out.println("请输入正确的类型!");  
  10.             return null;  
  11.         }  
  12.     }  
  13. }  

我们来测试下：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class FactoryTest {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {  
  4.         SendFactory factory = new SendFactory();  
  5.         Sender sender = factory.produce("sms");  
  6.         sender.Send();  
  7.     }  
  8. }  

输出：this is sms sender!

1.2、多个工厂方法模式，是对普通工厂方法模式的改进，在普通工厂方法模式中，如果传递的字符串出错，则不能正确创建对象，而多个工厂方法模式是提供多个工厂方法，分别创建对象。关系图：

技术图片

将上面的代码做下修改，改动下SendFactory类就行，如下：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SendFactory {  
  2.       
  3.     public Sender produceMail(){  
  4.         return new MailSender();  
  5.     }  
  6.       
  7.     public Sender produceSms(){  
  8.         return new SmsSender();  
  9.     }  
  10. }  

测试类如下：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class FactoryTest {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {  
  4.         SendFactory factory = new SendFactory();  
  5.         Sender sender = factory.produceMail();  
  6.         sender.Send();  
  7.     }  
  8. }  

输出：this is mailsender!

1.3、静态工厂方法模式，将上面的多个工厂方法模式里的方法置为静态的，不需要创建实例，直接调用即可。

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SendFactory {  
  2.       
  3.     public static Sender produceMail(){  
  4.         return new MailSender();  
  5.     }  
  6.       
  7.     public static Sender produceSms(){  
  8.         return new SmsSender();  
  9.     }  
  10. }  
[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class FactoryTest {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {      
  4.         Sender sender = SendFactory.produceMail();  
  5.         sender.Send();  
  6.     }  
  7. }  

输出：this is mailsender!

总体来说，工厂模式适合：凡是出现了大量的产品需要创建，并且具有共同的接口时，可以通过工厂方法模式进行创建。在以上的三种模式中，第一种如果传入的字符串有误，不能正确创建对象，第三种相对于第二种，不需要实例化工厂类，所以，大多数情况下，我们会选用第三种——静态工厂方法模式。

二、单例模式（Singleton）

单例对象（Singleton）是一种常用的设计模式。在Java应用中，单例对象能保证在一个JVM中，该对象只有一个实例存在。这样的模式有几个好处：

1、某些类创建比较频繁，对于一些大型的对象，这是一笔很大的系统开销。

2、省去了new操作符，降低了系统内存的使用频率，减轻GC压力。

3、有些类如交易所的核心交易引擎，控制着交易流程，如果该类可以创建多个的话，系统完全乱了。（比如一个军队出现了多个司令员同时指挥，肯定会乱成一团），所以只有使用单例模式，才能保证核心交易服务器独立控制整个流程。

首先我们写一个简单的单例类：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     /* 持有私有静态实例，防止被引用，此处赋值为null，目的是实现延迟加载 */  
  4.     private static Singleton instance = null;  
  5.   
  6.     /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
  7.     private Singleton() {  
  8.     }  
  9.   
  10.     /* 静态工程方法，创建实例 */  
  11.     public static Singleton getInstance() {  
  12.         if (instance == null) {  
  13.             instance = new Singleton();  
  14.         }  
  15.         return instance;  
  16.     }  
  17.   
  18.     /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
  19.     public Object readResolve() {  
  20.         return instance;  
  21.     }  
  22. }  


这个类可以满足基本要求，但是，像这样毫无线程安全保护的类，如果我们把它放入多线程的环境下，肯定就会出现问题了，如何解决？我们首先会想到对getInstance方法加synchronized关键字，如下：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public static synchronized Singleton getInstance() {  
  2.         if (instance == null) {  
  3.             instance = new Singleton();  
  4.         }  
  5.         return instance;  
  6.     }  

但是，synchronized关键字锁住的是这个对象，这样的用法，在性能上会有所下降，因为每次调用getInstance()，都要对对象上锁，事实上，只有在第一次创建对象的时候需要加锁，之后就不需要了，所以，这个地方需要改进。我们改成下面这个：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public static Singleton getInstance() {  
  2.         if (instance == null) {  
  3.             synchronized (instance) {  
  4.                 if (instance == null) {  
  5.                     instance = new Singleton();  
  6.                 }  
  7.             }  
  8.         }  
  9.         return instance;  
  10.     }  

似乎解决了之前提到的问题，将synchronized关键字加在了内部，也就是说当调用的时候是不需要加锁的，只有在instance为null，并创建对象的时候才需要加锁，性能有一定的提升。但是，这样的情况，还是有可能有问题的，看下面的情况：在Java指令中创建对象和赋值操作是分开进行的，也就是说instance = new Singleton();语句是分两步执行的。但是JVM并不保证这两个操作的先后顺序，也就是说有可能JVM会为新的Singleton实例分配空间，然后直接赋值给instance成员，然后再去初始化这个Singleton实例。这样就可能出错了，我们以A、B两个线程为例：

a>A、B线程同时进入了第一个if判断

b>A首先进入synchronized块，由于instance为null，所以它执行instance = new Singleton();

c>由于JVM内部的优化机制，JVM先画出了一些分配给Singleton实例的空白内存，并赋值给instance成员（注意此时JVM没有开始初始化这个实例），然后A离开了synchronized块。

d>B进入synchronized块，由于instance此时不是null，因此它马上离开了synchronized块并将结果返回给调用该方法的程序。

e>此时B线程打算使用Singleton实例，却发现它没有被初始化，于是错误发生了。

所以程序还是有可能发生错误，其实程序在运行过程是很复杂的，从这点我们就可以看出，尤其是在写多线程环境下的程序更有难度，有挑战性。我们对该程序做进一步优化：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. private static class SingletonFactory{           
  2.         private static Singleton instance = new Singleton();           
  3.     }           
  4.     public static Singleton getInstance(){           
  5.         return SingletonFactory.instance;           
  6.     }   

实际情况是，单例模式使用内部类来维护单例的实现，JVM内部的机制能够保证当一个类被加载的时候，这个类的加载过程是线程互斥的。这样当我们第一次调用getInstance的时候，JVM能够帮我们保证instance只被创建一次，并且会保证把赋值给instance的内存初始化完毕，这样我们就不用担心上面的问题。同时该方法也只会在第一次调用的时候使用互斥机制，这样就解决了低性能问题。这样我们暂时总结一个完美的单例模式：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Singleton {  
  2.   
  3.     /* 私有构造方法，防止被实例化 */  
  4.     private Singleton() {  
  5.     }  
  6.   
  7.     /* 此处使用一个内部类来维护单例 */  
  8.     private static class SingletonFactory {  
  9.         private static Singleton instance = new Singleton();  
  10.     }  
  11.   
  12.     /* 获取实例 */  
  13.     public static Singleton getInstance() {  
  14.         return SingletonFactory.instance;  
  15.     }  
  16.   
  17.     /* 如果该对象被用于序列化，可以保证对象在序列化前后保持一致 */  
  18.     public Object readResolve() {  
  19.         return getInstance();  
  20.     }  
  21. }  

其实说它完美，也不一定，如果在构造函数中抛出异常，实例将永远得不到创建，也会出错。所以说，十分完美的东西是没有的，我们只能根据实际情况，选择最适合自己应用场景的实现方法。也有人这样实现：因为我们只需要在创建类的时候进行同步，所以只要将创建和getInstance()分开，单独为创建加synchronized关键字，也是可以的：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SingletonTest {  
  2.   
  3.     private static SingletonTest instance = null;  
  4.   
  5.     private SingletonTest() {  
  6.     }  
  7.   
  8.     private static synchronized void syncInit() {  
  9.         if (instance == null) {  
  10.             instance = new SingletonTest();  
  11.         }  
  12.     }  
  13.   
  14.     public static SingletonTest getInstance() {  
  15.         if (instance == null) {  
  16.             syncInit();  
  17.         }  
  18.         return instance;  
  19.     }  
  20. }  

考虑性能的话，整个程序只需创建一次实例，所以性能也不会有什么影响。

补充：采用"影子实例"的办法为单例对象的属性同步更新

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class SingletonTest {  
  2.   
  3.     private static SingletonTest instance = null;  
  4.     private Vector properties = null;  
  5.   
  6.     public Vector getProperties() {  
  7.         return properties;  
  8.     }  
  9.   
  10.     private SingletonTest() {  
  11.     }  
  12.   
  13.     private static synchronized void syncInit() {  
  14.         if (instance == null) {  
  15.             instance = new SingletonTest();  
  16.         }  
  17.     }  
  18.   
  19.     public static SingletonTest getInstance() {  
  20.         if (instance == null) {  
  21.             syncInit();  
  22.         }  
  23.         return instance;  
  24.     }  
  25.   
  26.     public void updateProperties() {  
  27.         SingletonTest shadow = new SingletonTest();  
  28.         properties = shadow.getProperties();  
  29.     }  
  30. }  

通过单例模式的学习告诉我们：

1、单例模式理解起来简单，但是具体实现起来还是有一定的难度。

2、synchronized关键字锁定的是对象，在用的时候，一定要在恰当的地方使用（注意需要使用锁的对象和过程，可能有的时候并不是整个对象及整个过程都需要锁）。

到这儿，单例模式基本已经讲完了，结尾处，笔者突然想到另一个问题，就是采用类的静态方法，实现单例模式的效果，也是可行的，此处二者有什么不同？

首先，静态类不能实现接口。（从类的角度说是可以的，但是那样就破坏了静态了。因为接口中不允许有static修饰的方法，所以即使实现了也是非静态的）

其次，单例可以被延迟初始化，静态类一般在第一次加载是初始化。之所以延迟加载，是因为有些类比较庞大，所以延迟加载有助于提升性能。

再次，单例类可以被继承，他的方法可以被覆写。但是静态类内部方法都是static，无法被覆写。

最后一点，单例类比较灵活，毕竟从实现上只是一个普通的Java类，只要满足单例的基本需求，你可以在里面随心所欲的实现一些其它功能，但是静态类不行。从上面这些概括中，基本可以看出二者的区别，但是，从另一方面讲，我们上面最后实现的那个单例模式，内部就是用一个静态类来实现的，所以，二者有很大的关联，只是我们考虑问题的层面不同罢了。两种思想的结合，才能造就出完美的解决方案，就像HashMap采用数组+链表来实现一样，其实生活中很多事情都是这样，单用不同的方法来处理问题，总是有优点也有缺点，最完美的方法是，结合各个方法的优点，才能最好的解决问题！

三、原型模式（Prototype）

原型模式虽然是创建型的模式，但是与工程模式没有关系，从名字即可看出，该模式的思想就是将一个对象作为原型，对其进行复制、克隆，产生一个和原对象类似的新对象。本小结会通过对象的复制，进行讲解。在Java中，复制对象是通过clone()实现的，先创建一个原型类：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Prototype implements Cloneable {  
  2.   
  3.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
  4.         Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
  5.         return proto;  
  6.     }  
  7. }  

很简单，一个原型类，只需要实现Cloneable接口，覆写clone方法，此处clone方法可以改成任意的名称，因为Cloneable接口是个空接口，你可以任意定义实现类的方法名，如cloneA或者cloneB，因为此处的重点是super.clone()这句话，super.clone()调用的是Object的clone()方法，而在Object类中，clone()是native的，具体怎么实现，我会在另一篇文章中，关于解读Java中本地方法的调用，此处不再深究。在这儿，我将结合对象的浅复制和深复制来说一下，首先需要了解对象深、浅复制的概念：

浅复制：将一个对象复制后，基本数据类型的变量都会重新创建，而引用类型，指向的还是原对象所指向的。

深复制：将一个对象复制后，不论是基本数据类型还有引用类型，都是重新创建的。简单来说，就是深复制进行了完全彻底的复制，而浅复制不彻底。

此处，写一个深浅复制的例子：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Prototype implements Cloneable, Serializable {  
  2.   
  3.     private static final long serialVersionUID = 1L;  
  4.     private String string;  
  5.   
  6.     private SerializableObject obj;  
  7.   
  8.     /* 浅复制 */  
  9.     public Object clone() throws CloneNotSupportedException {  
  10.         Prototype proto = (Prototype) super.clone();  
  11.         return proto;  
  12.     }  
  13.   
  14.     /* 深复制 */  
  15.     public Object deepClone() throws IOException, ClassNotFoundException {  
  16.   
  17.         /* 写入当前对象的二进制流 */  
  18.         ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream();  
  19.         ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(bos);  
  20.         oos.writeObject(this);  
  21.   
  22.         /* 读出二进制流产生的新对象 */  
  23.         ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(bos.toByteArray());  
  24.         ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(bis);  
  25.         return ois.readObject();  
  26.     }  
  27.   
  28.     public String getString() {  
  29.         return string;  
  30.     }  
  31.   
  32.     public void setString(String string) {  
  33.         this.string = string;  
  34.     }  
  35.   
  36.     public SerializableObject getObj() {  
  37.         return obj;  
  38.     }  
  39.   
  40.     public void setObj(SerializableObject obj) {  
  41.         this.obj = obj;  
  42.     }  
  43.   
  44. }  
  45.   
  46. class SerializableObject implements Serializable {  
  47.     private static final long serialVersionUID = 1L;  
  48. } 

我们接着讨论设计模式，上篇文章我讲完了5种创建型模式，这章开始，我将讲下7种结构型模式：适配器模式、装饰模式、代理模式、外观模式、桥接模式、组合模式、享元模式。其中对象的适配器模式是各种模式的起源，我们看下面的图：

技术图片

四、代理模式（Proxy）

其实每个模式名称就表明了该模式的作用，代理模式就是多一个代理类出来，替原对象进行一些操作，比如我们在租房子的时候回去找中介，为什么呢？因为你对该地区房屋的信息掌握的不够全面，希望找一个更熟悉的人去帮你做，此处的代理就是这个意思。再如我们有的时候打官司，我们需要请律师，因为律师在法律方面有专长，可以替我们进行操作，表达我们的想法。先来看看关系图：

技术图片

根据上文的阐述，代理模式就比较容易的理解了，我们看下代码：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public interface Sourceable {  
  2.     public void method();  
  3. }  
[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Source implements Sourceable {  
  2.   
  3.     @Override  
  4.     public void method() {  
  5.         System.out.println("the original method!");  
  6.     }  
  7. }  
[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class Proxy implements Sourceable {  
  2.   
  3.     private Source source;  
  4.     public Proxy(){  
  5.         super();  
  6.         this.source = new Source();  
  7.     }  
  8.     @Override  
  9.     public void method() {  
  10.         before();  
  11.         source.method();  
  12.         atfer();  
  13.     }  
  14.     private void atfer() {  
  15.         System.out.println("after proxy!");  
  16.     }  
  17.     private void before() {  
  18.         System.out.println("before proxy!");  
  19.     }  
  20. }  

测试类：

[java] view plaincopy
 
 
 
  1. public class ProxyTest {  
  2.   
  3.     public static void main(String[] args) {  
  4.         Sourceable source = new Proxy();  
  5.         source.method();  
  6.     }  
  7.   
  8. }  

输出：

before proxy!
the original method!
after proxy!

代理模式的应用场景：

如果已有的方法在使用的时候需要对原有的方法进行改进，此时有两种办法：

1、修改原有的方法来适应。这样违反了“对扩展开放，对修改关闭”的原则。

2、就是采用一个代理类调用原有的方法，且对产生的结果进行控制。这种方法就是代理模式。

使用代理模式，可以将功能划分的更加清晰，有助于后期维护！

以上是关于Java Design Patterns的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

java 362. Design Hit Counter.java

java 362. Design Hit Counter.java

java 362. Design Hit Counter.java

java 362. Design Hit Counter.java

java基础之 Advanced Class Design

Prototype design pattern in Java