Java 中 23 种设计模式详解：七大结构型模式详细分析

Posted 2021-07-14 码农 小生

结构型模式

适配器模式(Adapter Pattern)

• 对象的适配器模式是各种结构型模式的起源

适配器模式: 将某个类的接口转换成客户端期望的另一个接口表示

目的: 消除由于接口不匹配所造成的类的兼容性问题

适配器模式主要分为三类:

• 类的适配器模式

• 对象的适配器模式

• 接口的适配器模式

类的适配器模式

核心思想: 有一个 Source 类,拥有一个方法待适配,目标接口是 Targetable, 通过 Adapter 类,将 Source 的功能扩展到 Targetable 里

- Source
public class Source{
  public void method1(){
    System.out.println("This is original method!");
  }
} 

- Targetable
public interface Targetable{
  /* 与原类中的方法相同 */
  public void method1();

  /* 新类方法 */
  public void method2();
}

- Adapter
public class Adapter extends Source implemments Targetable{
  @Override
  public void method2(){
    System.out.println("This is the targetable method!");
  }
}

Adapter 类继承 Source 类,实现 Targetable 接口:

- AdapterTest
public class AdapterTest{
  public static void main(String[] args){
    Targetable target=new Adapter();
    target.method1();
    target.method2();
  }
}

这样 Targetable 接口的实现类就具有 Source 类的功能

对象的适配器模式

基本思路和类的适配器相同,只是将 Adapter 类作修改 ,不继承 Source 类,而是持有 Source 类的实例,以达到解决兼容性问题

- Wrapper
public class Wrapper implements Targetable{
  private Source source;

  public Wrapper(Source source){
    super();
    this.source=source;
  }

  @Override
  public void method1(){
    source.method1();
  }

  @override
  public void method2(){
    System.out.println("This is the targetable method!");
  }
}




- Test
public class AdapterTest{
  public static void main(String[] args){
    Source source=new Source();
    Targetable target=new Wrapper(source);
    target.method1();
    target.nethod2();
  }
}

接口的适配器模式

• 一个接口中有多个抽象方法,当写该接口的实现类时,必须实现该接口的所有方法,这样明显比较浪费,因为并不是所有的方法都是需要用到的,有时只要引入一些即可.为了解决这样的问题,引入了接口适配器模式

• 接口适配器模式: 借助于一个抽象类,该抽象类实现了该接口以及所有的方法,只需要和该抽象类进行联系即可.

• 只需要写一个类,继承该抽象类,重写需要用到的方法

- Sourceable
public interface Sourceable{
  public void method1();
  public void method2();
}




- Wrapper-抽象类
public abstract class Wrapper implements Sourceable{
  public void method1(){}

  public void method2(){}
}




- SourceSub1
public class SourceSub1 extends Wrapper{
  public void method1(){
    System.out.println("The sourceable interface's first Sub");
  }
}




- SourceSub2
public class SourceSub2 extends Wrapper(){
  public void method2(){
    System.out.println("The Sourceable interface's second Sub");
  }
}




- WrapperTest
public class WrapperTest{
  public static void main(String[] args){
    Sourceable source1=new SourceSub1();
    Sourceable source2=new SourceSub2();

    source1.method1();
    source1.method2();
    source2.method1();
    source2.method2();
  }
}

三种适配器模式的应用场景:

类的适配器模式:

当希望一个类转换成满足另一个新接口的类时,可以使用类的适配器模式

创建一个新类,继承原有的类,实现新的接口即可

对象的适配器模式:

当希望一个对象转换成满足另一个新接口的对象时,可以使用对象的适配器模式

创建一个 Wrapper 类,持有原类的一个实例,在 Wrapper 类的方法中,调用实例的方法即可

接口的适配器模式:

当不希望实现一个接口中所有的方法时,可以使用接口的适配器模式

创建一个抽象类 Wrapper,实现所有方法,写其它类时,只要继承抽象类即可

装饰器模式(Decorator)

装饰器模式: 给一个对象动态地增加一些新的功能

装饰器模式要求装饰对象和被装饰对象实现同一个接口, 装饰对象持有被装饰对象的实例

Source 类时被装饰类 ,Decorator 类是装饰类,可以为 Source 类动态地增加一些功能:

- Sourceable
public interface Sourceable{
  public void method();
}




- Source
public class Source implements Sourceable{
  @Override
  public void method(){
    System.out.println("The original method!");
  }
}




- Decorator
public class Decorator implements Sourceable{
  private Sourceable source;
  public Decorator(Sourceable source){
    super();
    this.source=source;
  }

  @Override
  public void method(){
    System.out.println("Before decorator!");
    source.method();
    System.out.println("After decorator!");
  }
}




-Test
public class DecoratorTest{
  public static void main(String[] args){
    Sourceable source=new Source();
    Sourceable obj=new Decorator(source);
    obj.method();
  }
}

装饰器模式应用场景:

• 需要扩展一个类的功能

• 动态地为一个对象增加功能,而且还能动态地撤销(继承的功能是静态的,不能动态增删)

装饰器模式的缺点: 产生过多类似的对象,不易排错

代理模式(Proxy)

• 代理模式: 创建一个代理类,替原对象进行一些操作

- Sourceable
public interface Sourceable{
  public void method();
}




- Source
public class Source implements Sourceable{
  @Override
  public void method(){
    System.out.println("The original method!");
  }
}




- Proxy
public class Proxy implements Sourceable{
  private Source source;
  public Proxy(){
    super();
    this.source=new Source;
  }

  @Override
  public void method(){
    before();
    source.method();
    after();
  }

  public void before(){
    System.out.println("Before Proxy!");  
  }
  
  public void after(){
    System.out.println("After Proxy!");
  }  
}




- ProxyTest
public class ProxyTest{
  public static void main(String[] args){
    Sourceable source=new Proxy();
    source.method();
  }
}

代理模式的应用场景:

• 已有的方法在使用的时候需要对原有的方法进行改进,有两种方法:

• 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 .不推荐使用

• 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. 即代理模式

• 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

外观模式(Facade)

在 Spring 中,可以将类与类之间的关系配置到配置文件中

外观模式: 为了解决类与类之间的依赖关系,将类鱼雷之间的关系放到一个 Facade 类中,降低类与类之间的耦合度,该模式中没有涉及到接口

- CPU
public class CPU{
  public void startup(){
    System.out.println("CPU startup!");
  }

  public void shutdown(){
    System.out.println("CPU shutdown!");
  }
}




- Memory
public class Memory{
  public void startup(){
    System.out.println("Memory startup!");
  }

  public void shutdown(){
    System.out.println("Memory shutdown!");
  }
}




- Disk
public class Disk{
  public void startup(){
    System.out.println("Disk startup!");
  }

  public void shutdown(){
    System.out.println("Disk shutdown!");
  }
}




- Computer
public class Computer{
  private CPU cpu;
  private Memory memory;
  private Disk disk;

  public Computer(){
    cpu=new CPU();
    memory=new Memory();
    disk=new Disk();
  }

  public void startup(){
    System.out.println("Start the computer!");
    cpu.startup();
    memory.startup();
    disk.startup();
    System.out.println("Start the computer finished!");
  }

  public void shutdown(){
    System.out.println("Begin to close the computer!");
    cpu.shutdown();
    memory.shutdown();
    disk.shutdown();
    System.out.println("Computer closed!");
  }
}




-User
public class User{
  public static void main(String[] args){
    Computer computer=new Computer();
    computer.startup();
    computer.shutdown();
  }
}

如果没有 Computer 类 ,CPU,Memory,Disk 之间会互相持有实例,产生关系,这样会造成严重依赖

修改一个类,可能会带来其它类的修改

有了 Computer 类,各个类之间的关系就放在类 Computer 类里,这样就起到解耦的作用

桥接模式(Bridge)

桥接模式: 将事物和具体实现分开,二者可以各自独立的变化

将抽象化与实现化解耦,使得二者可以独立变化:

• JDBC 桥 DriverManager:

• JDBC 连接数据库的时候,在各个数据库之间进行切换,基本不需要改动太多的代码,甚至一点不用改动

• 原因在于 JDBC 提供统一接口,每个数据库提供各自实现,用一个叫作数据库驱动的程序来桥接即可

- Sourceable
public interface Sourceable{
  public void method();
}




- SourceSub1
public class SourceSub1 implements Sourceable{
  @Override
  public void method(){
    System.out.println("This is the first sub!");
  }
}




- SourceSub2
public class SourceSub2 implements Sourceable{
  @Override
  public void method(){
    System.out.println("This is the second sub!");
  }
}




- 定义一个桥,持有Sourceable的一个实例
public abstract class Bridge{
  private Sourceable source;

  public void method(){
    source.method();
  }

  public Sourceable getSource(){
    return source;
  }

  public void getSource(Sourceable source){
    this.source=source;
  }
}




- MyBridge
public class MyBridge extends Bridge{
  public void method(){
    getSource().method();
  }
}




- BridgeTest
public class BridgeTest{
  public static void main(String[] args){
    Bridge bridge=new MyBridge();

    /* 调用第一个对象 */
    Sourceable source1=new SourceSub1();
    bridge.setSource(source1);
    bridge.method();

    /* 调用第二个对象 */
    Sourceable source2=new SourceSub2();
    bridge.setSource(source2);
    bridge.method();
  }
}

通过对 Bridge 类的调用,实现了对接口 Sourceable 的实现类 SourceSub1 和 SourceSub2 的调用

示例: JDBC 连接原理

组合模式(Composite)

组合模式: 部分-整体模式,在处理类似树形结构的问题时比较方便

- TreeNode
public class TreeNode{
  private String name;
  private TreeNode parent;
  private Vector<TreeNode> children=new Vector<TreeNode>();

  public TreeNode(String name){
    this.name=name;
  }

  public String getName(){
    return name;
  }

  public void setName(String name){
    this.name=name;
  }

  public TreeNode getParent(){
    return parent;
  }

  public void setParent(TreeNode parent){
    this.parent=parent;
  }

  /* 添加孩子节点 */
  public void add(TreeNode node){
    children.add(node);
  }

  /* 删除孩子节点 */
  public void remove(TreeNode node){
    children.remove(node);
  }

  /* 获得孩子节点 */
  public Enumeration<TreeNode> getChildren(){
    return children.elements();
  }
}




- Tree
public class Tree{
  TreeNode root=null;

  public Tree(String name){
    root=new TreeNode(name);
  }

  public void main(String[] args){
    Tree tree=new Tree("A");
    TreeNode nodeB=new TreeNode("B");
    TreeNode nodeC=new TreeNode("C");

    nodeB.add(nodeC);
    tree.root.add(nodeB);
    System.out.println("Build the tree finished!");
  }
}

组合模式使用场景:

将多个对象组合在一起进行操作

常用于表示树形结构中:二叉树

享元模式

享元模式: 主要目的是实现对象共享,即共享池

当系统中对象多的时候可以减少内存的开销,通常与工厂模式一起使用

FlyWeightFactory: 负责创建和管理享元单元

当一个客户端请求时,工厂需要检查当前对象池中是否有符合条件的对象

如果有,就返回已经存在的对象

如果没有,就创建一个新对象

FlyWeight: 超类

共享的对象的特点:

• 共享对象有一些共同的属性

• 这些属性对于每个连接来说都是一样的

• 基于共享对象的特点,可以用享元模式处理共享对象:

• 将类似属性作为内部数据

• 其它的属性作为外部数据

• 在方法调用时,当作参数传进来

• 这样可以节省内存空间,减少实例的数量

示例: 数据库连接池

 public class ConnectionPool{
  private Vector<Connection> pool;

  /* 公有属性 */
  private String url="jdbc:mysql://localhost:3306/test";
  private String username="root";
  private String password="root";
  private String driverClassName="com.mysql.jdbc.Driver";
  private int poolSize=100;
  private static ConnectionPool instance=null;
  Connection conn=null;

  /* 构造方法,负责初始化 */
  private ConnectionPool(){
    pool = new Vector<Connection>(poolSize);
    
    for(int i=0;i<poolSize;i++){
      try{
        Class.forName(driverClassName);
        conn=DriverManager.getConnection(url,user,password);
        pool.add(conn);
    }catch(ClassNotFoundException e){
        e.printStackTrace();
    }catch(SQLEXception e){
        e.printStackTrace();
    }
  }  
}

  /* 返回连接到连接池 */
  public sysnchronized void release(){
      pool.add(conn);
  }

  /* 返回连接池中的一个数据库 */
  public syschronized Connection getConnection(){
      if(pool.size()>0){
        Connection conn=pool.get(0);
        pool.remove(conn);
        return conn;
      }else{
        return null;
      }
  }
}

通过连接池的连接,实现数据库连接的共享:

不需要每一次重新创建连接,节省数据库重新创建的开销,提升了系统系能。

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